Особенности конструктивно-технологических принципов построения мэа свч диапазона и источников вторичного электропитания.

Рассматривая основные особенности конструктивно-технологического исполнения МЭА СВЧ диапазона и источников вторично­го электропитания (ИВЭП), отметим, что это, прежде всего теплонапряженная аппаратура, хотя и в ЦАА отвод тепла от крис­таллов 'большого уровня инерции (особенно биполярных), как мы уже отмечали в гл. 1, является насущной проблемой. Любая технология, позволяющая размещать большое число кристаллов ИМС в малом объеме, оказывается бесполезной, если она не обеспечивает отвод выделяемого кристаллами тепла без недопус­тимого их перегрева. Рассмотрим более подробно эти вопросы и связанные с ними вопросы монтажа.

Для всех ранее описанных конструкций ячеек и блоков МЭА характерно то, что тепло внутри блока передается в основном кондуктивным путем по элементам конструкции с высокой теплопроводностью ( =100-200 Вт/м К). Основными тепловыми сопротивлениями являются места контактов кристалла с комму­тационной платой, плат — с рамкой ячейки, а также места кон­тактов рамок ячейки между собой и основанием блока. Внешняя теплоотдача от корпуса блока осуществляется за счет конвекции и излучения.

Для улучшения теплопередачи более напряженных блоков

корпуса делают оребренными или устанавливают на теплоотводы, имеющие необходимую поверхность. Особо теплонапряженные блоки (например, ячейка на многослойной керамике) должны разрабатываться с применением принудительного охлаждения, в том числе жидкостного. В этом случае в конструкции изделия необходимо иметь достаточное число дополнительных устройств для охлаждения (насосы, трубопроводы, теплообменники с вентиляторами и т. п.), которые ухудшают массогабаритные характеристики МЭА.

Перегрев электронного компонента относительно температуры окружающей среды можно записать в виде , где - перегрев электронного компонента вследствие прохождения тепловой энергии по конструкции блока (внутренний перегрев); - перегрев в результате теплового взаимодействия поверхности блока с окружающей средой (внешний перегрев).

Величина допустимого суммарного перегрева определяется максимальной температурой окружающей среды ( ) и предельно допустимой температурой электрических компонeнтов ( ) . Уменьшение величины внутреннего перегрева в микроэлектронных блоках при сохранении величины суммарного перегрева позволяет увеличить допустимую величину внешнего перегрева, что оказывает непосредственное влияние на материалоёмкость и энергопотребление систем обеспечения тепловых режимов МЭА. Это вытекает из следующего соотношения:

P/aS,

где

Р — рассеиваемая блоком мощность, Вт;

а - коэффициент теплообмена между корпусом блока и окружающей средой, Вт/( );

S — площадь поверхности блока, участвующая в теплообмене с окружающей средой, см².

Увеличение позволяет либо при неизменном коэффициен­те теплоотдачи уменьшить площадь поверхности блока, что со­ответственно уменьшает массу блока и упрощает технологию изготовления (например, без оребрения), либо при неизменной поверхности теплообмена применить менее интенсивные системы обеспечения тепловых режимов, имеющие по сравнению с первоначальной меньшую массу.

Например, в случае использования для охлаждения вынужденной конвекции коэффициент пропорционален , где - скорость воздушного потока. Энергопотребление вентиляционного агрегата пропорционально . Следовательно, с уменьшеньшением коэффициента теплоотдачи в два раза уменьшается энергопотребление вентиляционного агрегата примерно на порядок и приблизительно в такой же пропорции уменьшается его масса. Системы обеспечения тепловых режимов МЭА можно структурно подразделить на подсистемы обеспечения хладоагентом (насосы, вентиляторы), трансформаторы тепловой энергии (различного рода теплообменники) и подсистемы контроля и регулирования работы системы обеспечения тепловых режимов (СОТР) (датчики и регуляторы температуры, давления, расхода). Исключительно эффективны для применения в СОТР микроминиатюрные датчики, изготовленные методами тонкопленочной и полупроводниковой технологии.

Применение индивидуальных корпусов для ИМС, особенно пластмассовых, существенно увеличивает теплонапряженность ячеек и заставляет искать дополнительные пути для отвода тепла в разработке методов монтажа.

Заметим, что температура кристалла, рассеивающего 0,5 Вт, в пластмассовом корпусе будет на 25° С выше температуры окру­жающего воздуха только из-за применения корпуса. Внутреннеетепловое сопротивление можно уменьшить вдвое, заменив пластмассовый корпус керамическим, и во столько же раз увеличить допустимую рассеиваемую мощность при одной и той же температу­ре перегрева. Керамический микрокорпус имеет по сравнению с ДИП-корпусом несколько худшие тепловые характеристики вследствие меньшей площади. Внешнее тепловое сопро­тивление корпуса можно уменьшить, установив теплоотвод, который расширяет эффективную площадь поверхности корпуса, а так­же можно увеличить скорость воздушного потока. Однако снизить полное тепловое сопротивление вдвое этими мерами, как правило, не удается.

Тепловое сопротивление корпуса и условия теплоотвода на коммутационной плате в значительной степени зависят от теплопро­водности материала, из которого изготовлены корпус или плата.

Материал рамки и выводов пластмассового корпуса, также должен оказывать значительное влияние на теплоотвод. Заметим, что при креплении бескорпусных БИС на ком­мутационную плату наличие металлических выводов и их плот­ность существенно сказываются на условиях теплоотдачи. Так, нанесение на стеклоэпоксидную печатную плату металлических полосок, на которые устанавливаются специальные теплорассеивающие элементы, улучшает их тепловые характеристики почти на 40% (полоски соединяются с земляным выводом или рамой платы).

Предпочтительно создавать из металлических полосок рису­нок в виде гребенки; для МДП на полиимидной пленке матрица металлизированных пропаянных отверстий с шагом 0,625—1,5 мм играет роль эффективного теплоотвода на металлическую плас­тину (алюминий) с диэлектрическим покрытием (оксидированный слой).

Необходимо отметить, что наиболее прогрессивным методом при кондуктивном охлаждении является использование металлических оснований коммутационных плат с диэлектрическим покрытием. Могут быть использованы медные и стальные основания, но наиболее эффективен для применения алюминий и его сплавы, так как его теплопроводность, хотя и меньше меди, но значительно превосходит сталь; алюминий по сравнению с медью имеет значительно меньшую плот­ность.

Таким образом, определяющим для микроминиатюризации ИВЭП является применение бескорпусных ИМС, смонтированных либо на поликоровой подложке, на которую устанавливаются также диоды, трансформаторы, дроссели и другие элементы (уровень микросборки), либо на металлической подложке с диэлектрическим покрытием (уровень ячейки МЭА). Кроме того, определяющим для микроминиатюризации ИВЭП является оптимизация габаритных размеров трансформаторов и дросселей путем по­вышения рабочей частоты преобразования до 200 кГц и более.

Преимущественной формой конструкции ИВЭП в таком случае становится планарная, основной конструкционный элемент ячейки - рамка, а герметичного блока - корпус. Наиболее теплонапряженные элементы монтируются непосредственно на рамку или корпус с развитой поверхностью. В связи с относительно не­большой плотностью монтажа компонентов ИВЭП, обусловлен­ной особенностями элементной базы и монтажа, даже при использовании микросборок возможен непосредственный переход к уров­ню блока, минуя уровень ячейки за счет непрерывной коммутации между микросборками без применения печатных плат. Удельные характеристики таких блоков: 100-150 Вт/дм³ , 60-80 Вт/кг соответственно; параметры таких устройств, изготовленных на анодированном алюминиевом основании: 200-300 Вт/дм³, 180-300 Вт/кг. Удельные характеристики аналогичного блока, выполненного на дискретных элементах, составляют 20-30 Вт/дм³ и 25—30 Вт/кг.

Основой для создания коммутационных элементов микроэлектронных устройств СВЧ диапазона является система микрополосковых линий, выполненных на обеих сторонах подложки с высокой точностью рисунка и его привязки, причём подложки должны обладать хорошими электрофизическими характеристиками в СВЧ диапазоне (используются поликор, сапфир, некоторые органические материалы – фторопласт, полиимид и др.). Сложность в организации пересечения микрополосковых линий заставляет прибегать к двухстороннему расположению микросборок на основании, а конструирование блока ведется по принципу непрерывной схемы. Необходимость соблюдения однородности СВЧ тракта предъявляет жесткие требования к взаимному расположению выходных микрополосков сопрягаемых микросборок. В связи с необходимостью обеспечения хорошего электрического контакта экранирующих трактов микрополосковых линий с корпусом, а компонентов мик­росборки с экранирующими металлическими слоями подложек одним из конструктивных требований к монтажу таких устройств является необходимость многократной пайки в блоке без выведе­ния из строя уже выполненных соединений.

Для выполнения принципа непрерывной схемы соединение по СВЧ тракту между СВЧ микросборками выполняется с помощью коаксиального перехода. Выводы СВЧ сигнала из гермообъема выполняются с помощью коаксиального микрополоскового герметичного соединителя. Для герметизации штыря соединителя используется металлостеклянный спай. Соединитель герметизируется спайкой, электрические соединения между СВЧ микросборками и гермосоединителем осуществляются перемычками из фольги. Расстояние А от плоскости установки микросборки до оси гермосоединителя за­висит от способа крепления микросборок и толщины подложек.

Вместе с тем габариты большинства функциональных блоков СВЧ чаще всего определяются не содержащимися в них ИМС и радиокомпонентами, а числом соединителей и различного рода СВЧ переходов.

Дополнительный объем, необходимый для размещения таких переходов и обеспечения межблочной коммутации, как правило, превышает физический объем самих блоков. Обычно для достиже­ния высокой стабильности параметров каждый функциональный СВЧ блок герметизируется в корпус, используются входные и вы­ходные соединители для индивидуальной настройки блоков, а так­же их проверки в составе устройства. Промежуточные (технологи­ческие) СВЧ соединители служат только для настройки блоков.

Такое выполнение устройств линейной техники и особенно СВЧ устройств с использованием отдельных функциональных герметичных блоков в какой-то мере исчерпало свои возможности и в настоящее время препятствует дальнейшему снижению массогабаритных показателей изделий вследствие большого числа соединителей и проводов коммутации. Изучение опыта и тенден­ций развитая конструирования МЭА показывает, что главным на­правлением является переход от интеграции схем к интеграции систем. При этом под системой подразумевается радиоэлектронное устройство заданной сложности.

Следующим шагом в развитии микроэлектронной СВЧ аппа­ратуры является создание многоканальных СВЧ устройств с об­щей герметизацией и жидкостным охлаждением, что дает воз­можность снизить массу в два раза и объем в пять раз по сравнению с устройствами, выполненными на основе отдельных функ­циональных блоков, устанавливаемых на общей СВЧ коммута­ционной плате с жидкостным охлаждением. При этом выигрыш получается только за счет уменьшения металлоемкости конструк­ции устройства и исключения проводов коммутации.