К лекции №2

Лекция № 2 (16.02.09)
Тенденции развития конструкций РЭС
В заключение можно перечислить общие тенденции развития конструкций РЭС,
которые характерны для перехода от одного поколение к другому и являются движущей
силой этого прогресса:
1) миниатюризация элементной базы РЭС (как простая геометрическая, так и с
использованием законов микроэлектроники — микроминиатюризация);
2) неуклонное стремление к повышению надежности элементов и компонентов
конструкций РЭС;
3) уменьшение массы и объема монтажа и коммутационных цепей, повышение их
надежности;
4) унификация и стандартизация функциональных узлов;
5) внедрение автоматизации разработок конструкций РЭС и автоматизированных способов их изготовления;
6) непрерывный рост интеграции конструкций как за счет интеграции
элементной базы, так и благодаря новым методам компоновки;
7) внедрение элементов и узлов функциональной электроники.
Группы жесткости устройств РЭА
По условиям эксплуатации ЭА подразделяют на наземную, корабельную,
самолетную и ракетную (космическую)
Наземная аппаратура, согласно ГОСТ 16019-78 делится на:
-стационарную, работающую в наземных и подземных отапливаемых и
вентилируемых помещениях;
- стационарную, работающую на открытом воздухе и в неотапливаемых помещениях
или укрытиях;
- возимую в кузовах и кабинах автомобилей различного назначения и работающую
на ходу;
- возимую на речных судах с установкой во внутренних помещениях и работающую на
ходу;
- возимую в подвижном железнодорожном транспорте и работающую на ходу;
- носимую и портативную, предназначенную для длительной переноски людьми
на открытом воздухе или в неотапливаемых помещениях, работающую и не
работающую на ходу;
Корабельная аппаратура подразделяется по объекту ее размещения:
- на открытом воздухе на морском берегу или на открытых надстройках корабля;
- в затапливаемых помещениях или отсеках корабля, работающая в воде под
гидравлическим давлением;
- в закрытых отапливаемых и вентилируемых помещениях, отсеках, рубках и
каютах;
- в закрытых помещениях быстроходных судов, подверженных значительным
механическим воздействиям;
- на открытых палубах, мостиках и надстройках быстроходных судов.
Самолетная (бортовая) аппаратура подразделяется по условиям ее размещения:
- в кабинах или центральных отсеках на самолетах с поршневыми или
турбовинтовыми двигателями; в концевых отсеках крыльев таких самолетов, в
хвостовом оперении или месте расположения двигателей;
- в центральных отсеках фюзеляжа или кабинах пилотов на самолетах с
реактивными двигателями, в концевых отсеках крыльев этих самолетов, в
хвостовом оперении или вблизи реактивных двигателей.
Ракетная (космическая) аппаратура подразделяется по условиям ее размещения:
- штатная – приборный отсек и системы ЛА;
- нештатная – там, где необходимо для отработки ЛА.
Воздействия внешних условий на различные типы РЭА могут быть самыми
разнообразными. Предельные значения параметров внешних условий устанавливаются
ГОСТ для каждого вида аппаратуры. Эти значения указываются в ТУ на разрабатываемую
аппаратуру, с указанием группы жесткости. Группа жесткости – это шифр,
присваиваемый определенному виду аппаратуры в зависимости от условий эксплуатации,
которые оговорены в соответствующем документе типа ГОСТ.
Конструктивные особенности РЭА каждой из рассматриваемых групп обеспечивают ее
устойчивость к внешним воздействиям в пределах указанных норм.
Микроячейки и микроблоки
(общие положения)
Микроблок является одним из видов конструктивного исполнения
микроэлектронной аппаратуры (МЭА) повышенной надёжности и высокой степени
интеграции. Степень интеграции определяется, как
K=Lg(N)
где N – число элементов интегральных микросхем (ИМС).
Микроблок является функционально и конструктивно законченной технической
системой (ТС) модульного типа.
Структурные уровни микроблока
Этот вид МЭА проектируется в соответствии с универсальным принципом:
функционально-модульное конструирование, однако имеет свои особенности.
0 уровень – твердотельные И.С., подсборки высокой степени интеграции;
1 и 2 уровни объединены; используются коммутационные структуры повышенной
разрешающей способности;
3 уровень – микроблок, конструктивно объединяющий коммутационные
структуры, ячейки, микроплаты и т. п.
Характерные особенности микроблоков
1. Сочетание объединения и укрупнения структурных уровней, что повышает
плотность компоновки.
Одновременное применение различных видов внутриблочной коммутации:
толстоплёночной и тонкоплёночной на различных подложках, печатных плат,
тканых плат, РИТМ плат и т. п.
2. Применение разнообразной и разнородной элементной базы: корпусной,
бескорпусной, с выводами, безвыводной (SMD), микросборок и т. п.
3. Многофункциональность несущих конструкций и других элементов конструкции
микроблока.
4. Хорошие тепловые характеристики блоков благодаря малым габаритам и
относительно небольшим токовым нагрузкам.
5. Повышенная надёжность благодаря широкому применению бескорпусной
элементной базы (как покупной, так и изготовленной на предприятии); при этом
отсутствует электрический переход от контактной площадки кристалла
микросхемы к её корпусу.
6. Функциональная гибкость микроблоков: данное конструктивно-технологическое
решение позволяет сделать М.Э.А. для любой отрасли народного хозяйства и
самых разнообразных задач и условий эксплуатации.
7. Возможность объединения с исполнительными устройствами, хорошая адаптация к
посадочным местам.
8. Уменьшение длин электрических связей в блоке (в 7-10 раз).
9. Независимость от внешних воздействий благодаря общей герметизации
микроблока.
Электронная ячейка – это часть электронного блока, включающая элемент
коммутации (например, печатная плата) с установленными электрорадиоэлементами
(Э.Р.А.), конструктивно оформленная как сборочная единица. Другие названия: модуль 2го конструктивного уровня, типовой элемент замены (Т.Э.З.), типовой элемент
конструкции (Т.Э.К.).
Микроячейка – это электронная ячейка, К.Т.Р. которой обеспечивает высокую
степень интеграции и многофункциональность.
Уровни внедрения микроминиатюризации
1. На уровне элементной базы.
2. На уровне межсоединений (внутренних и внешних).
3. На уровне компоновочных решений и несущих конструкций.
Микроблоки УТК-3 (Сириусные блоки)
Основными компонентами УТК-3 являются микроэлектронные узлы (МЭУ),
изготовленные по гибридно-плёночной интегральной технологии корпусного,
бескорпусного однослойного и многослойного типов (заказные элементы или элементы
частного применения).
Основным несущим элементом МЭУ является плата, представляющая собой
подложку из вакуум-плотного материала (ситалл, стекло, поликор, сапфир) со
сформированными на ней методом фотолитографии пассивными функциональными
элементами схемы (резисторами, проводниками, контактными площадками) и защитным
слоем. На ней устанавливаются бескорпусные активные и пассивные элементы.
Корпусные МЭУ предназначены для применения в негерметизированной
малогабаритной аппаратуре. Для защиты от внешних воздействий подложки с элементами
заключают в металлические корпуса различных типов имеющие множество выводов,
расположенных с шагом от 0,5 до 2,5 мм.
Плотность компоновки элементов в первых образцах составляла 10 см-2. Подложка
с навесными элементами приклеивается к основанию корпуса клеем ВК-9. Выходные
контактные площадки МЭУ и выводы корпуса соединяются перемычками из золотой
проволоки диаметром 0,05 мм. Герметизация осуществляется электронно-лучевой сваркой
(вакуум в корпусе около 133 мкПа) или конденсаторной (заполнение корпуса сухим
азотом или гелием) сваркой.
Компоновка функционального узла
на бескорпусных средних интегральных схемах (СИС)
Положительным качеством корпусных МЭУ является то, что их можно применять
в негерметизированной РЭА, а корпус служит дополнительным экраном. МЭУ допускают
автоматизацию монтажно-сборочных работ, имеют большой срок хранения. К
недостаткам корпусных МЭУ можно отнести недостаточную степень интеграции,
неремонтнопригодность, проблемы с количеством выводов (их может оказаться
недостаточно, либо избыточно).
Бескорпусные МЭУ применяют в герметизированной РЭА. Конструкция МЭУ
представляет собой однослойную плату - подложку(30х12 , 30х16, 30х24) с напылёнными
резисторами и навесными активными и пассивными элементами. Выходные контактные
площадки с определенным шагом (в первых образцах 1,25 мм) расположены вдоль двух
сторон платы ( по 22 на каждой стороне). Электронные соединения между МЭУ и
печатной платой (ПП) выполняются контактной сваркой (термокомпрессией или
расщеплённым электродом) с помощью перемычек из золотой проволоки диаметром 0,05
мм. Плотность компоновки в первых приборах составляла 100 см-2.
Основные преимущества бескорпусных МЭУ перед корпусными: высокая степень
интеграции, ремонтнопригодность, низкая себестоимость, большое число выводов.
Недостатки: небольшой допустимый срок хранения, невозможность экранировки каждого
МЭУ, сложность монтажно-сборочных работ.
Бескорпусные
многослойные
МЭУ
предназначены
для
работы
в
герметизированной малогабаритной РЭА, размеры их такие же, как и однослойных.
На подложке формируется первый слой коммутации, резисторы малой точности,
резисторы с повышенной мощностью рассеивания. Второй и третий коммутационные
слои наносятся напылением на полиимидную плёнку. На втором слое формируются
контактные площадки для электрических переходов между первым и вторым
коммутационными слоями и стандартная система выводов МЭУ. Электрический контакт
между первым и вторым слоями осуществляется через гальванически выращенные
столбики на проводниках полиимидной плёнки (второй слой), а между вторым и третьим через переходные металлизированные отверстия, получаемые одновременно с
коммутацией.
На третьем слое создаются контактные площадки для подсоединения
бескорпусных полупроводниковых активных элементов и пассивной резистивной
«мозаики». Коммутация, контактные площадки и межслойные переходы покрыты
оловянно-висмутовым припоем. Между подложкой и полиимидной плёнкой с
коммутационными слоями помещается перфорированная изоляционная прокладка с
клеевым слоем толщиной 0,05 мм. Перфорация осуществляется в местах формирования
электрических переходов с первого на второй коммутационный слой. Полиимидная
пленка, изоляционная прокладка и ПП собираются в пакет, который под давлением
нагревается до температуры плавления сплава олово-висмут, благодаря чему получается
монолитная многослойная структура с межслойными переходами. Плотность компоновки
элементов при этом составляет 200 см-2.
Бескорпусные многослойные МЭУ обладают повышенной степенью интеграции,
позволяют автоматизировать процесс разработки топологии, при изготовлении МЭУ не
применяется дорогостоящее золотое покрытие, отсутствуют навесные перемычки,
стандартная система выводов обеспечивает групповую пайку при установке МЭУ на
печатную плату. Недостатком таких МЭУ является то, что они требуют большого объёма
конструкторской проработки и специализированного технологического оборудования.
Кроме того, у многослойных МЭУ нельзя ремонтировать внутренние слои.
Основным функциональным узлом микроблока является типовой элемент
конструкции (ТЭК). Его еще обозначают как типовой элемент замены (ТЭЗ).
Основным элементом ТЭЗ является плата (1), несущая рамка-основание (2), рамкавкладыш(3), колодка монтажная (4), крышка-экран(5). При необходимости применяют
теплоотводы(2) платы(1).
Способ изготовления МПП - электрохимический со сквозной металлизацией
отверстий. Внешние слои МПП являются опорными для компонентов и выполняют
функции несущей основы, теплоотвода, заземляемой шины. МПП изготавливаются из
одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 0,5 мм и имеют окна в
местах электрических соединений компонентов с контактными площадками платы.
Применение в качестве клеящей основы для внешних слоёв демпфирующих
материалов типа специального клея КВК-68 или мастики ИКЛ-60 обеспечивает защиту от
механических воздействий.
Монтажная плата крепится клеем типа ВК-9 в несущей рамке основании, которая
изготавливается из алюминиевого сплава АЛ-2 методом литья под давлением и имеет
фиксирующие элементы, обеспечивающие жёсткость конструкции и их фиксацию
относительно друг друга при сборке в блоке.
Монтажные колодки из АГ-4В обеспечивают электрические соединения ПП и
являются дополнительными конструктивными элементами системы монтажа блока. Их
линейные размеры и число контактов унифицированы. Шаг между контактами 1,25мм.
Для создания в РЭА на ИС единой системы заземления внешние слои ПП имеют
электрические соединения электропроводным клеем с несущей рамкой и с общей
заземляемой шиной ПП, выходящей на крайние контакты монтажных колодок.
Для защиты бескорпусных МЭУ от электромагнитных и механических
воздействий в процессе изготовления применяются штампованные из листового
алюминия АМЦ крышки-экраны.
ТЭК устанавливают в несущие конструкции (НК) УТК-3: корпуса блоков
малогабаритной РЭА.
Основными элементами блоков УТК-3 являются литые корпуса основания,
штампованные кожухи, литые верхние крышки. Все элементы имеют четырёхслойное
покрытие (медь-никель-олово-свинец). ТЭК одного типоразмера собирают в вертикальные
пакеты и крепят винтами к корпусу основанию, при этом ТЭК с блоком питания
располагают первым от основания.
На корпусе основании располагают межблочные электрические разъёмы типа МР1, штыри заземления и штенгель для заполнения блока инертным газом (азотом),
амортизаторы типа МР или крепежные элементы для установки блоков на объекте.
Монтаж выполняется проводом марки ФД-100 сечением 0.03 мм2 (сигнальные
цепи) и 0.07 мм2 (цепи питания).
Провода с помощью резиновой пластины образуют специальную плоскую матрицу,
которую в корпусе основании блока собирают в общий жгут, разложенный по разъемам.
Крепление ТЭЗ в блоке на резиновой матрице
Крепление каждого отдельного ТЭЗа в матрице
Заземляемая цепь блока объединяет крайние контакты монтажных колодок ТЭК с
общим штырём основания и через выходные разъёмы блока соединяется с общей цепью
системы.
После настройки и регулировки блока его герметизируют. Для этого ТЭЗы
заключают в кожух и заливают места механических соединений герметиками типа
виксинта «Победа», ВГО-1. Допускается герметизация путём запайки легкоплавкими
припоями либо полиэтиленом.
Газонаполнение (последняя стадия сборки блока) производится через штенгель,
который затем откусывается и запаивается. Вакуумная герметизация блока и заполнение
сухим газом - необходимое условие работоспособности РЭА с бескорпусными МЭУ.
Варианты конструкций блоков УТК-3
В зависимости от поставленной задачи блоки могут выполняться с различными
габаритами и с различным числом ТЭЗов.
Таблица конструктивных параметров УТК-3
Типоразмер
L
В
(мм) (мм)
Н
(мм)
Объём
прибора
при числе
рамок
от 2 до 6
V (л)
Характеристика монтажного поля
Вес
прибора
Р (кг)
1
80
0,37-0,84
0,4-0,9
2
110
0,52-1,18
0,56-1,25
162
29-65
Тип и количество
установленных разъёмов
Общее
кол-во
выходных
контактов
МР-1-30
МР-1-50
МР-1-102
2
-
1
172*
-
3
-
150
2
2
-
160
-
2
1
202*
3
135
0,63-1,42
0,68-1,53
-
2
2
304*
4
165
0,77-1,88
0,83-1,88
-
2
3
408*
Конструктивно- технологические варианты МЭ. (микроблоков)
Конструктивно-компоновочные решения современной МЭА определяются на 80%
следующими факторами:
1. типы применяемых радиокомпонентов и их совместимость;
2. способ сборки и корпусирования блока;
3. КТР (конструктивно-технологические решения) коммутации в блоке.
Требования к элементной базе
1) Основу элементной базы должны составлять бескорпусные компоненты.
a) узлы электронные полупроводниковые (УЭП.) собственного изготовления
b) бескорпусные полупроводниковые приборы (транзисторы, транзисторные
матрицы), диоды и диодные матрицы, бескорпусные интегральные схемы
различной степени интеграции;
c) безвыводные микроминиатюрные пассивные компоненты (резисторы и
резистивные матрицы, резистивная мозаика, конденсаторы).
2) Основным компонентом элементной базы должен быть У.Э.П. собственного
изготовления с высокой степенью интеграции.
3) Допускается применение микроминиатюрных корпусных элементов (дросселей,
трансформаторов, микрореле и т.п.).
4) Компоненты должны быть совместимы по форме, размерам и иметь стандартные
системы выводов.
5) Конструкция У.Э.П. должна соответствовать унифицированному
типоразмерному ряду.
6) Элементная база должна быть совместимой с автоматизированными методами
сборки и монтажа на поверхность.
Требования к компоновке микроблоков
1) Микроблоки должны компоноваться из отдельных функционально и
конструктивно законченных узлов-микросборок.
2) Способ компоновки микроблоков должен обеспечивать свободный доступ к
компонентам в процессе изготовления, контроля и настройки.
Требования к элементам несущих конструкций
1) Несущие конструкции должны обеспечивать механическую прочность
микроблока в соответствии с заданными требованиями по внешним воздействиям.
2) Элементы несущих конструкций микроблоков должны быть унифицированы и
должны обеспечивать создание типоразмерного ряда микроблоков.
3) Элементы несущих конструкций должны быть совместимы с
автоматизированными методами производства, и изготавливаться прогрессивными
групповыми методами из перспективных материалов.
4) Конструкции микроблоков (несущие элементы) должны предусматривать
возможность создания амортизированных и неамортизированных вариантов
измерительных устройств.