Конструкции и компоновочные схемы радиоэлектронных ячеек

Несущими конструкциями ячеек на корпусированных ИМС средней степени интеграции служат двусторонние и многослойные печатные платы, ячеек с применением БИС и СБИС — многослойные печатные пла­ты, ячеек на бескорпусных ИМС, БИС и СБИС — мно­гослойные печатные платы на металлических рамках, металлические подложки или керамические платы.

Рис. 1. Плата микропроцессора М-2 микроЭВМ «Электроникп-60»

При жестких условиях эксплуатации и больших раз­мерах ячеек на печатных платах увеличение механичес­кой прочности конструкции достигается применением накладок, использованием металлических рамок, являющихся одновременно и теплоотводящими элементами конструкции.

Ячейки, в которых применяются бескорпусные БИС, БГИС и микросборки, устанавливаются в герметичные металлические корпуса, внутренний объем которых за­полнен инертным газом. Повышение плотности упаковки ИМС и увеличение удельной объемной мощности рассеи­вания, с одной стороны, и невозможность использова­ния принудительного охлаждения ячеек в герметичном корпусе — с другой, приводят к необходимости принятия дополнительных конструктивных мер по обеспечению отвода теплоты на корпус.

Ячейка, приведенная на рис.2, состоит из П-образного металлического основания, к которому при­варен воздуховод прямоугольной формы. Ячейки объединяются в блоки с помощью шарнирного соединения. С одной стороны металлического основания к нему присоединяется печатная плата, с другой сторо­ны устанавливаются платы БГИС. Соединения БГИС с печатной платой осуществляются микропроводом через прорези в металлическом основании.

Рис.2. Конструкции: а – ячейки (1 – металлическое основание; 2 – бескорпусные ГИС и микросборки; 3 – воздуховод; 4 – контактные площадки на печатной плате; 5 – печатная плата); б – П-образного металлического основания ячейки (1) и воздуховода (2).

Для бортовой МЭА в качестве несущей конструкции и теплоотводящего основания ячейки используют метал­лическую рамку из легких сплавов, конструкция кото­рой представлена на рис.3. Рамка имеет ребра жест­кости и теплоотводящие шины толщиной 0,5—0,8 мм, на которых размещаются бескорпусные ГИС. Коммутация между ГИС осуществляется с помощью двусторонней печатной платы, размещенной с обратной стороны рамки.

Рис.3. Металлическая рамка ячейки бортовой аппаратуры: 1- рамка; 2 – теплоотводящие шины; 3 – ребра жесткости.

Увеличение функциональной сложности ячеек приво­дит к обострению проблемы теплоотвода. Эта проблема успешно решается применением нового конструктивно-технологического варианта изготовления ячеек, в котором функции несущей конструкции, теплоотвода и под­ложки объединены и выполняются металлической (алюминиевой) платой, а функции коммутационной платы - системой гибких полиимидных пленок с нанесенными на них методом тонкопленочной технологии проводящими дорожками. На плате из анодированного (окисленного) алюминия создан один слой проводников и резисторов, два или более слоев проводников могут быть созданы на полиимидной пленке. Коммута­ционные переходы с одной стороны этой гибкой платы на другую осуществляются системой металлизирован­ных отверстий. Гибкие коммутационные платы наклады­вают на анодированную алюминиевую подложку и при­соединяют к ней методом групповой пайки, для чего на подложке сформированы контактные площадки, покры­тые припоем. На полиимидных гибких платах в соот­ветствующих контактным площадкам местах имеются переходные металлизированные отверстия. При подогре­ве системы подложка — гибкие печатные платы в усло­виях вакуума (вакуумная пайка) припой поднимается по переходным отверстиям и, застывая, образует проч­ные коммутационные соединения и одновременно меха­ническое крепление. Для изоляции между гибкими ком­мутационными платами используют прокладки из поли­имидной пленки с системой отверстий в местах межслойных переходов. Бескорпусные полупроводниковые БИС и другие навесные компоненты могут быть смон­тированы как на коммутационных полиимидных плен­ках, так и непосредственно на металлической плате че­рез окна, вытравленные в гибких платах. Две односто­ронние ячейки на анодированных алюминиевых подлож­ках могут быть склеены своими нерабочими сторонами с образованием двусторонней ячейки. Переходы с одной стороны подложки на другую в такой ячейке осуществ­ляются с помощью гибких шлейфов на полиимидной пленке.

Спроектированное на данной конструктивно-техно­логической базе ОЗУ емкостью 1024 16-разрядных слов, в котором использованы бескорпусные ИМС БК188РУ1, имеет объем 45 см³. Аналогичное ОЗУ на той же эле­ментной базе, спроектированное в конструктиве с при­менением корпусированных ИМС, занимает объем 135 см³. Выигрыш в объеме в три раза достигнут за счет сокращения объемов несущей конструкции и меж­соединений. По сравнению с ячейками на печатных платах достигается 5—20-кратное уменьшение габаритов и массы. Существующее технологическое оборудование позволяет получить многослойные гибкие коммутацион­ные полиимидные платы размером примерно 100х100 мм, с шириной проводников 0,1 мм и шагом контактных площадок 0,3-0,5 мм. Жесткость и теплоотвод конструкции обеспечиваются за счет алюминиевого анодированного основания. В ячейках указанных раз­меров допустимо рассеяние мощности до 30 Вт.

Рассмотренные варианты конструкций ячеек на металлическом основании характерны для цифровой МЭА, отлича­ющейся однородностью структуры, конструктивной и схемотехнической совместимостью элемент­ной базы. Для ячеек ана­логовой МЭА использова­ние металлических конст­рукций имеет свою спе­цифику. Так, для приемо-усилительных микроэлектронных устройств необходимыми условиями являются последовательное («в ли­нию») расположение и многократное преобразование входного сигнала, высокая добротность, помехозащи­щенность и стабильность частотно-избирательных узлов. Распространены пенальные конструкции таких ячеек, имеющих удлиненный металлический корпус, служащий одновременно теплоотводом и экраном. Гибридные микросхемы располагают таким образом, чтобы коммутация между ними осуществлялась по минимально коротким связям. В качестве частотно-избирательных узлов применяют интегральные пьезо­электрические фильтры, активные и цифровые RC-фильтры, фильтры на поверхностных акустических волнах, усилители с пленочными и кольцевыми катуш­ками индуктивности, ЭРЭ, конструктивно совместимые с бескорпусными ГИС.

Примером конструкций такого же рода являются ячейки на крупноформатной (102 102 мм) керамичес­кой подложке и на эмалированной стальной подложке. В конструкциях ячеек, показан­ных на рисунках 4, 5, в качестве дополнительного слоя коммутации или отдельных ее узлов могут использо­ваться гибкие полиимидные платы, гибкие ленточные носители БИС. Отдельные узлы, микросборки этих яче­ек могут быть герметически закрыты крышками-экра­нами.

В ячейках аналоговых радиоэлектронных средств наиболее важным является обеспечение электромагнит­ной совместимости, устранение взаимных наводок, ко­торое осуществляется экранированием. Экраны должны ослаблять вредное влияние электромагнитных полей от соседних устройств и локализовать собственные электромагнитные поля, иметь минимальные габариты и мас­су, быть технологичными в изготовлении.

В конструкциях приемоусилительных устройств МЭА четвертого поколения частотно-избирательные узлы имеют планарную конструкцию, в которой электромаг­нитные связи возникают только в плоскости монтажа. Устранение взаимных наводок осуществляется в этом случае применением экранирующих шин. Если верхняя крышка корпуса ячейки расположена близко к элемен­там бескорпусных микросборок, то электромагнитные связи могут возникнуть и в объеме. Практически, за исключением аппаратуры СВЧ диапазона, электромагнитными связями между элементами и компонентами ГИС, микросборок и металлической крышкой можно пренебречь и при определении высоты герметичной ячейки исходить из высоты наиболее вы­соких ЭРЭ микросборки. В этом случае результаты ра­боты конструктора по миниатюризации аналоговых устройств существенно зависят от компоновочной совместимости элементной базы. В частности, ГИС и пле­ночные катушки индуктивностей являются компоновочно более совместимыми по сравнению с ГИС с кольцевыми катушками индуктивности. Однако пле­ночные плоские катушки индуктивности существен­но уступают по характеристикам объемным (кольце­вым).

Для приемоусилительных трактов аналоговых ра­диоэлектронных средств характерны малый (до В) входной сигнал и большой (несколько вольт) выходной сигнал. Это предопределяет необходимость очень боль­ших коэффициентов усиления. Существующие между различными каскадами паразитные емкости образуют цепи параллельной обратной связи по напряжению. При коэффициенте обратной связи, равном единице или большем единицы, усилитель может самовозбудиться. Во избежание этого используют многократное преобра­зование частоты, что приводит к необходимости устра­нения взаимных наводок сигналов, т. е. к «развязке» по частотам.

Необходимость передачи сигнала «в линию», при ко­торой взаимное влияние сигналов, передаваемых от кас­када к каскаду, минимально, обусловила пенальную форму конструкции ячеек приемоусилительных трак­тов.

Указанные особенности ячеек аналоговых радио­электронных средств и специфические требования к ним определяют характер эволюции конструкций этого вида микроэлектронной аппаратуры.

Конструкции и элементная база частотно-избира­тельных и приемоусилительных устройств зависят от диапазона рабочих частот, т. е. от их применения (УВЧ, УПЧ, УНЧ). Конструкции радиоэлектронных ячеек вы­сокой и промежуточной частот выполняются на основе бескорпусных микросборок, транзисторов и диодов, тон­копленочных индуктивностей и миниатюрных конденса­торов большой емкости. Дальнейшее усовер­шенствование конструкции ячеек аналоговых радио­электронных средств пошло по пути увеличения плот­ности компоновки бескорпусных активных и пленочных пассивных элементов и привело к созданию принципа «непрерывной микросхемы», при котором бескорпусные микросборки располагаются на металлическом основании вплотную друг к другу, а коммутация между ними осуществляется приваркой коротких (3-5 мм) золотых проволочек к контактным площадкам микросборок по кротчайшему пути.

Компоновка аналоговых ячеек радиоэлектронных средств по принципу «непрерывной микросхемы» позволяет уменьшить объем ячеек в шесть раз и массу примерно в три раза.

Дальнейший шаг в микроминиатюриза­ции и приемоусилительных трактов состоит в использовании элементов функцио­нальной электроники, например: микроэлект­ронных пьезоэлектри­ческих фильтров, микроэлектрон­ных кварцевых генераторов, гибридных интегральных микросхем, частотно-избирательных устройств, что явля­ется по существу шагом к созданию аналоговых радио­электронных средств пятого поколения. Использование активных и цифровых RС-фильтров, распределенных RL-, RC- и RLC-структур, электротепловых функцио­нальных элементов, кварцевых фильтров особенно пер­спективно для создания частотно-избирательных узлов и приемоусилительных трактов.

Компоновка и конструкции блоков

Под компоновкой блоков подра­зумевают взаимное расположение и взаимную ориента­цию конструктивных элементов блока: ячеек, элементов электромонтажа, механических элементов крепежа, ра­мок, деталей корпусов и т. д. Блоки, как правило, име­ют прямоугольную форму, за исключением блоков бор­товой и космической аппаратуры, когда их геометри­ческая форма определяется формой отводимых под ра­диотехнические средства отсеков. Главными задачами разработки конструкции блока являются: выбор рацио­нального варианта компоновки ячеек в блоке, обеспече­ние минимальных длины, массы и габаритов электри­ческой коммутации; обеспечение нормальных тепловых режимов, защиты от воздействий внешней среды; сни­жение материалоемкости, стоимости. Необходимыми условиями выбора компоновочной схемы блока являет­ся решение проблем унификации, упрощения конструктивных решений и технологии формообразования дета­лей блока. Детали несущих конструкций блоков обес­печивают размещение, механическое крепление, защиту от дестабилизирующих воздействий ячеек, установку блоков в шкафах, стойках и стеллажах. Их изготовляют литьем под давлением, штамповкой, прессованием, свар­кой. В настоящее время с появлением большой номен­клатуры недорогих прессованных и прокатных профи­лей находят широкое применение профильно-сборные конструкции.

На схемах компоновки (Рис.6.) блоков показаны варианты пространственной ориентации ячеек и их взаимного расположения относительно зон внутриблочного электромонтажа. Варианты II, VI не обеспе­чивают хорошего теплоотвода от ячеек в случаях как естественного, так и принудительного охлаждения. Для разъемных конструкций блоков с большим числом яче­ек предпочтительны варианты I, III, для книжных кон­струкций— IV, V. Число выходных контактов с одной ячейки, как показывает практика проектирования, равно 60—80 и имеет тенденцию к увеличению. С этой точки зрения для блоков разъемной конструкции более приго­ден вариант I компоновки, а для блоков книжной конструкции — вариант IV. В то же время вариант V книж­ной конструкции обеспечивает максимальную плотность компоновки ИМС в блоке.

Соотношение геометрических размеров блока — дли­ны, ширины и высоты — для каждого из рассмотренных вариантов компоновки определяет соотношение геомет­рических размеров ячеек, а последние, в свою очередь, определяют длину электромонтажных связей в ячейке, ее помехоустойчивость, шаг установки ИМС. По дан­ным, взятым из практики, ширина В блоков книжной конструкции не должна быть меньше 120 мм. Для бло­ков разъемной конструкции высота и ширина блоков должны быть равны для варианта I компоновки - H 180 мм, В 120 мм, для варианта III - H 180 мм, B 180 мм. При этом нужно учитывать, что электричес­кие соединители ячеек занимают в блоках зону, равную 25-35 мм, что увеличивает одну из сторон блока в зависимости от выбранного ва­рианта компоновки; жгутовые соединения, гибкие печатные шлейфы и коммутационные платы увеличивают размеры блока еще на 15-20 мм в двух взаимно-пер­пендикулярных направлениях.

Воздушная система охлаждения при естественной конвекции требует для своей реализации 6-8 мм зазо­ров между ячейками; воздушная система принудитель­ного охлаждения позволяет сократить зазоры между ячейками до 2 мм, но требует увеличения объема блока на 10-15% для установки вентилятора или воздухо­водов.

Дополнительные конструктивные теплостоки (радиа­торы, теплоотводящие шины, ребра корпусов) также увеличивают габариты блоков на 20-25%. Кроме того, на размеры блоков влияют способ изготовления несу­щих конструкций и метод герметизации.

Все указанные факторы, так или иначе, влияют на выбор варианта компоновки блоков. В процессе эскиз­ного проектирования необходим комплексный подход с оценкой количественных абсолютных и относительных показателей качества конструкции блока (объема, мас­сы, надежности, коэффициента дезинтеграции и др.).