Гелль П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры (1984), страница 2

сплуатации и ремонта изделия. Конструирование как инженервая деятельность есть процесс поиска, нахождевия и отражения в конструкторской документации формы, размеров н состава изделия, входящих в него деталей и узлов, используемых материалов, комплектующих изделий, взаимного расположения частей и связей между ними, указаний на технологию изготовления — с целью обеспечить производство изделия с заданнымн свойствами при наименьшей трудоемкости изготовления. Поиск основан иа логнко-математическом выборе устойчивых компромиссов для удовлетворения цротиворечнвых требований технического задания на разработку изделия по назначению и надежности с учетом ремонтопрнгодносги и свойств системы человек — машина при использовании материалов и комплектующих изделий, свойства которых огравичены рамками паспортных данных. Поиск проводится применительно к условиям промышленного производства, ограниченного требованием максимальной экономической эффективности„ прояаляюгпим себя через требования технологичности, увификацни н стандартизации с учетом патентно-правовых свойств.

Конструкция РЭА, как и любого сложного изделия, состоит из множества входящих в иее элементов со строго регламентированными связями, образуя совокупность (систему) с отчетливо выраженной струк. турной градацией и со свойствамн, не рваными сумме свойств элементов. В процессе конструирования анализ очередного варианта конструкции производят иа основе исследования его свойств с комплексной оценкой пх по критериям с учетом весовых коэффициентов, а синтез — путем определения формы, размеров и состава изделия, проектирования входящих частей и связей их друг с другом, с окружающей средой н с человеком-оператороч для достижения заданных свойств изделия.

Копструкцня РЭА отличается одной особенностью формируемых внутренних связей между частями., кроме пространственных и механи'- ческих должны быть установлены сложные элсктрические н ограничены тепловые и электромапгитные связи. Эта особенность насзолько существенна, что выделяет конструирование РЭА в отдельную область инженерных знаний. Этапы развития конструкций РЭА. Конструирование РЭЛ началось одновременно с изобретением радио Более того, само изобретение радиосвязи, как известно, обязано разработке рациональной кон-. струкцин когерера (детектора), Общая нонструкция аппаратуры беспроволочного телеграфа первые два десятилетия не отличалась от телеграфной аппаратуры тех лет. Соединения осуществлялись с но- мощью проволоки, клемм и винтов. Основой конструкции служил деревянный ящик, внутри которого на стенках размещались необходимые составные части. С изобретением электронной лампы по мере увеличения коэффициента усиления каскадов возрастала роль экранированин.

Опасчость самовозбуждеиия привела к необходимости экраннровать не только катушки индуктиввости. Поэтому в конце 20-х годов вместо деревянного появилось металлическое основание (шасси), что улучшило экраиированне В начале 30-х годов электронные усилители начали применять а телефонии, где уже существовали проверенные длительной практикой традиции конструирования аппаратуры в виде стойки — вертикальной рамы с расположенными друг иад другом блоками. Такая конструкция была первым носителем прогрессивной идеи расчленения сложной аппаратуры на простые составные части (узлы) — идеи, сохранившей значение до сих пор.

Сформировалась иерархическая структура конструкции. Расширение сферы и масштабов применения РЭА привело в 30-х годах к образовавню специализированных предпрвятий по разработке н изготовлению радиотехнической аппаратуры применительно к назначению и объекту установки. Внедрение пайки вместо винтовык соединений упростило конструкцию монтажного соединения и снизило трудоемкость сборки С начала 40-х годов радиотехническая аппаратура иэ помещения вышла в полевые условия. Ее устанавливают на самолеты, в танки, на автомашины. От ее работоспособности все чаще зависит исход военных операций, в том числе на море и в воздухе, где радиолокация и радионавигация (ближняя и дальняя) стали основой тактических лействий, Обеспечение работоспособности и высокой надежности РЭА в трудных условиях эксплуатации легло на плечи конструкторов и технологов.

Ваэиикли новые задачи обеспечения влагозащиты, вибронзоляцни, стойкости при ударах, прн изменениях окружающей температуры, при нагреве выделяемым при работе теплом. РЭА па электронных лампах принято теперь называть аппаратурой ! поколения Зиа.ь:"-"с: чнтельвый вклад в развитие конструирования РЭА внесла полготовка специализированных инженерных надрон в нашей стране Пятидесятые годы характеризуются значительным усложнением конструкции РЭА, особенно импульсной аппаратуры и аппаратуры дальней навигации.

Резко возросла трудоемкость сборочных работ, Необходимость свижения трудоемкости заставила обратиться к давно заявф~;-;,;"-;: ленной, но мало используемой до тех пор идее печатных схем Печатная схема представляет собой пластину с печатным рисунком,электрофизические свойства которого выполняют функции монтаж„:",:-:;,:,:::,:'ных соединений и пассивных элементов схемы данного устройства илн его части. От этой общей идеи н то время был использован только ринцип печатного монтажа на основе печатных соединительных плат Все элементы схемы прн этом остаются навесными Унифицированные конструкции с миниатюрными радиолампами тцпа «пробью разработанные на основе псчатяых плат, были наиболее удвчнымн для РЭА ! поколения. Главнымп трудностями в этой аппаы.

Ратуре были большое тепловыделение, значительный объем и масса ламповых каскадов, особенно при использовании ламповых панелей, что не позволяло создавать надежные ковструкции с боль'%им числом ламп. В этих условиях прогрессивные идеи цифровой Мработки сигналов, разработанные к тому времени и основанные на 7 многократном повторении ламповых ключевых устройств, рисковали остаться не реализованными в широкой практике радиоаппаратостроения.

Изобретение в 1948 г. и быстрое освоение в массовом провзводстве полупроводникового активного элемента (транзистора) вместо электронной лампы вывело конструирование сложной РЭА из тупика. РЭА иа полупроводниковых приборах называют аппаратурой П поколения. В начале 60-х годов цифровые методы обработки сигналов позволили сформировать унифицированные функциональные узлы общего применения, не привязанные к конкретному устройству.

Это дало толчок развитию полупроводниковой микроэлектроники, производству интегральных микросхем (ИС). Термин «интегральные» здесь использован для обозначения факта объедивсния, суммирования в одном полупроводниковом кристалле свойств нескольких элементов, входящих в состав функционального узла, включая транзисторы и обслуживающие нх пассивные элементы, а также диоды, Такая совокупность образуется не в результате сборки отдельно изготовленных элементов, а путем соответствующей обработки полупроаоднвкового кристалла. ИС должна обладать функциональной законченностью и значительной схемотехнической универсальностью„ чтобы находить разнообразное применение в мэссовых масштабах Элементы получают в объеме полупроводникового кристалла нли на его поверхности в виде пленочной структуры, наносимой нз различных материалов путем конденсации в вакууме.

В течение восьмой пятилетки (конец 60-х годов) электронная промышленность страны освоила выпуск широкой номенклатуры цифровых и аналоговых ИС, вошедших в состав современной элементной базы РЭА. Для оценки сложности ИС введен показатель степевь интеграции й=!я й, где !и — число элементов в аквивалеитной электрической схеме ИС: БИС СБИС 1(ИС11 2(ИС2) 3(ИСЗ) 4(ИС4) 5(ИС5) До 1О ! ! — 100 101 — 1Оэ 1001 — 10а 1О 00! — 1Оэ РЭА на основе ИС1 н ИС2 называют аппаратурой П1 поколения. В девятой пятилетке (начало 70.х годов) РЭА 1П поколения получила широкое промышленное освоение.

ИС! и ИС2 объединили в себе значительную часть элементов электрической схемы РЭА. Основой конструкции функционального узла повсеместно стала печатная плата (ПП). Казалось, что конструирование РЭА в таких условиях должно чрезвычайно упроститься, Но этого не произошло. Разработчики схем, получив новую, высокоэффективную элементную базу, начали удовлетворять постояйно растущие требования заказчиков по повышению быстродействия, точности, разрешающей способности, дальности действия и т.д.

путем усложнения процессов обработки сигналов с применением ИС. более того, с внедрением ИС конструирование РЭА усложнилось, особевно в отношении отвода тепла и соединения мно>кества ИС, тесно расположенных иа ПП. Освоенные к тому времени однослойные и двухслойные (одиосторонние и двусторонние) ПП не обеспечивалн требуемых соединений, их коммутационные возможности оказались ограниченными. Потребовалось увеличить число слоев да четырех и более. Совместными усилиями конструкторов и технологов были созданы многослойные печатные платы (МП!!) Опыт промышленного производства и эксплуатации РЭА в реаль. ных условиях показал, что МПП с повышенным числом слоев !более четырех) ие всегда себя оправдывают из-за значительного брака в производстве и 'недостаточной надежности в эксплуатации.

Такие МПП оказались неперспективными для массового применения из.за самого принципа конструкции. В конструкции МПП совмещены в монолит тонкие слои меди, органического материала и стеклоткани, которые имеют различные температурные коэффициенты расширения. Чем больше число слоев в МПП, тем выше вероятность разрыва тонких поло соя меди при изменениях температуры. 1-!адежность снижают и недостаточно прочные паяиые швы (которые образуются после сборки на плате навесных элементов) между проволочными выводами в отверстиях и торцами внутренних медных слоев толщиной 10 † мкм. В начале десятой пятилетки (середина 70-х годов) в условиях дальнейшего повышения функциональной сложности схем важнейшей конструкторской задачей повышения надежности РЭА стало существеиноэ снижение коммутационной нагрузки МПП, чтобы число слова ограни.

чивалось двумя-четырьмя. Эта задача вознияла одновременно с за« дачей значительного улучшения массогабаритяых характеристик РЭА, усложненной явной недостаточностью существовавшей в то время номенклатуры централизованно поставляемых ИС. Для обеих задач было найдено общее решение в виде конструкции микросборок (МС) — функциональных гибридных узлов в микроэлектронном пленочном исполнении, создаваемых разработчиками н изготовителями РЭЛ примеаительно н конкретным ионструициям и электрическим схемам с целью улучшить показатели миниатюризации в условиях отсутствия аналогов в номенклатуре ИС. Термин атибридные» применен здесь для обозначения совмещения пленочных и полупроводниковых бескорпусных устройств путем сборки ях в одном корпусе.

МС выполняют, как правило, в корпусах, которые изготовляют для ИС. МС представляют собой, по существу, те печат„',;:..!:-';:,'.':,' ные схемы, о которых шла речь выше, где в печатное исполневие пере- ~,.',!::„?::. иедены не только монтажные проводники, но и практически все резясто';:,'*.~!:::. ры, часть конденсаторов, а в СВЧ-диапазоне — колебательвые цепи, фильтры и другие реактивные элементы. Промышленное освоение МС стало возможным благодаря решению .'-;,"~;-'~:-:„'-",;:. 'применять полуфабрикаты ИС в бескорпусном исполнении.

Вскоре бес'.'~гз~."",":" корпусные ИС, транзисторы, диоды, конденсаторы вошли в каталоги "„,"!;„', централизованно поставляемой элементной базы, причем часть полу- проводниковых устройств стала поступать на сборну в виде неразрезан- !:„:;;!::," 'иых полупроводниковых пластин, содержащих десятки и сотни готовых ',~~;::!:: элементов.