- •Тема 1. Комплексная микроминиатюризация и автоматизированные
- •Цели и задачи микроэлектронной аппаратуры
- •Основные пути выбора конструктивно-компоновочной схемы и методов монтажа мэа
- •Элементная база и ее влияние на конструкцию мэа
- •Корпусированная элементная база
- •Динамика развития основных исходных конструкторских
- •Бескорпусная элементная база
- •Исходные данные задания
- •Порядок выполнения задания
- •Пример выполнения задания практического занятия
- •Результаты, полученные при выполнении задания
- •Тема 2. Конструктивные исполнения и современные технологии сборки элементной базы.
- •Микросхемы, элементы, компоненты
- •Классификация микросхем
- •Современные корпуса дискретных полупроводниковых приборов или их сборок
- •Современные корпуса дискретных полупроводниковых приборов или их сборок
- •Бескорпусная элементная база
- •Имс с проволочными выводами
- •Термокомпрессионная сварка
- •Сварка с косвенным импульсным нагревом
- •Кристаллы с балочными выводами
- •Имс с организованными шариковыми выводами
- •Имс с организованными выводами на гибком носителе
- •Классификация типов ленточных носителей
- •Одноточечная автоматизированная сборка на ленту-носитель
- •Резисторы
- •Основные сведения об объемных резисторах
- •Конденсаторы
- •Относительные диэлектрические проницаемости
- •Катушки индуктивности
- •Технология монтажа пассивных компонентов
- •Практическое занятие оптимизация технологических режимов процесса микроконтактирования бескорпусных кристаллов сбис в электронных устройствах с высокоплотным монтажом
- •Теоретические сведения Элементная база для сборки и монтажа мэу
- •Оценка и анализ качества микроконтактирования
- •Порядок выполнения заданий
- •Примеры выполнения заданий практического занятия Задание 1
- •Задание 2
- •Тема 3. Многоуровневые коммутационные системы.
- •Монтаж микросборок и ячеек мэа
- •Сводные характеристики многослойных керамических плат
- •Типы печатных плат
- •Двухсторонние печатные платы
- •Многослойные печатные платы
- •Гибкие печатные платы
- •Рельефные печатные платы (рпп)
- •Характеристики рельефных плат
- •Сравнение технологических и стоимостных характеристик рельефной и многослойной печатной платы
- •Гибкие печатные платы
- •Основные элементы конструкции гибких печатных плат
- •Полиимидные пленки
- •Адгезивы
- •Гибко-жёсткие печатные платы
- •Миниатюрные охлаждающие агрегаты
- •Радиаторы
- •Теплопроводящие трубки
- •Углеродные нанотрубки
- •Охлаждение элементом Пельтье
- •Плоские теплоотводы
- •Охлаждение микросхем распылением на них жидкости
- •Капиллярная система теплоотвода ibm
- •Особенности обеспечения теплоотвода в теплонапряженных модулях
- •Обеспечение теплоотвода при монтаже высокоскоростных модулей на основе бескорпусных бис
- •Конструкции и компоновочные схемы радиоэлектронных ячеек
- •Особенности конструктивно-технологических принципов построения мэа свч диапазона и источников вторичного электропитания.
- •Особенности монтажа микросборок и ячеек свч диапазона.
- •Теоретические сведения
- •Сравнительные параметры мкп, выполненных по различным технологиям
- •Исходные данные заданий
- •Пример выполнения задания практического занятия
- •Тема 4. Технологии внутриячеечного монтажа.
- •Лекция 18. Паяные соединения. Особенности и способы пайки. Бесфлюсовая пайка. Контроль качества. Бессвинцовая технология пайки. Общее понятие процесса пайки и паяных швов.
- •Технология пайки
- •Основный виды пайки.
- •Способы пайки.
- •Типы паяных соединений.
- •Подготовка деталей к пайке и пайка.
- •Дефекты паяных соединений и контроль качества. Типы дефектов паяных соединений.
- •Контроль качества.
- •Возможные дефекты
- •Выбор припойной пасты.
- •Состав припойных паст.
- •Характеристики частиц в припойных пастах.
- •Свойства флюсов.
- •Трафаретный метод нанесения припойной пасты.
- •Диспенсорный метод нанесения припойной пасты
- •Нанесение припойной пасты.
- •Результаты выполнения задания
- •Тема 5. Конструкторско-технологические особенности
- •Лекция 24,25. Герметизация компонентов рэа. Способы контроля герметичности.
- •Структура процесса герметизации
- •Входной контроль
- •Приготовление герметизирующего состава
- •Подготовка герметизируемого изделия
- •Герметизация изделий
- •Сварка.
- •Пропитка
- •Обволакивание
- •Заливка
- •Опрессовка
- •Герметизация капсулированием
- •Герметизация в вакуум-плотных корпусах
- •Практическое занятие герметизация эвс и их конструктивов
- •Теоретические сведения
- •Исходные данные задания
- •Пример выполнения задания практического занятия
- •Порядок выполнения задания
- •Пример выполнения задания практического занятия
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.).