Book1 (Учебник Конструирование РЭС), страница 3

1 — ситалловая подложка;
2 — тонкопленочный резистор;

3 —стабилитрон;

4, 5, 7 —бескорпусные диод. ИС,

транзистор соответственно;

6 — контактная площадка

Рис. В.8. Конструкция функциональной ячейки IV поколения:

1 — соединитель; 2 — передняя стенка; 3 — корпусированная ИС; 4 — навесной ЭРЭ;
5 — задняя стенка с элементами крепления; 6— бескорпусная микросборка; 7 — печатная плата

15

Рис. В.9. Конструкция герметичного блока

РЭС IV поколения (корпус условно снят):

/ — функциональная ячейка;

2 — металлическое основание;

3 — соединитель; 4 — проволочный монтаж;

5 — винт крепления;
6 — бескорпусная микросборка

кой разрешающей способно-
стью до 0,1 мм и без металли-
зированных отверстий), но-
вых способов сборки и монта-
жа (групповой автоматизиро-
ванной сборки и пайки), но-
вых принципов компоновки
устройств из суперкомпонен-
тов (интеграции на целой
пластине) привело к созда-
нию РЭС еще более компакт-
ных, надежных и с меньшей
стоимостью, чем известные
прототипы. Конструкции та-
ких устройств, выполненные
по принципам монтажа на по-
верхность и интеграции на
целой пластине, можно отне-
сти к пятому поколению. Не-
даром за рубежом появление
техники монтажа на поверх-
ность считают четвертой про-
мышленной революцией после лампы, транзистора и интегральной схемы [4]. Более подробно об этих конструкциях изложено в разд. 3.10.

В заключение можно перечислить общие тенденции развития конструкций РЭС, которые характерны для перехода от одного поколения 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 икомпонентов 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.

16

1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ РЭС

1.1. Требования к конструкциям РЭС и показатели их качества

Основными требованиями, предъявляемыми к конструкциям РЭС,являются высокое качество энергоинформационных (функциональных) показателей, помехозащищенность, надежность, прочность, жесткость, технологичность, экономичность и серийноспособность конструкции при малых материалоемкости и потребляемой мощности. Любая вновь разрабатываемая конструкция должна быть патентно чистой и сертификационной.

Конструкции, отвечающие этим требованиям, должны обладать минимальными массой m. объемом V, потребляемой мощностью P,частотой отказов , стоимостью С и сроком разработки Т; должны быть вибро- и ударопрочны, работать в нормальном тепловом режиме и иметь достаточно высокий для производства процент выхода годных изделий. Показатели, характеризующие эти качества, могут быть разбиты на следующие группы: абсолютные (в абсолютных величинах),комплексный (безразмерный обобщенный), удельные (в удельных величинах) и относительные (безразмерные, нормированные).

К абсолютным показателям относят массу конструкции, ее объем, потребляемую мощность, частоту отказов, стоимость и срок разработки.
Иногда эти показатели называют материальными показателями, показывающими, из чего и как сделано устройство. Энергоинформационные пара-
метры в этих случаях называют функциональными показателями, характеризующими, для чего и что может делать устройство. Из этих двух групп могут быть получены более общие показатели качества, такие как комплексный показатель и удельные коэффициенты качества.

Комплексный показатель качества представляет собой сумму нормированных частных материальных показателей со своими «весовыми» коэффициентами, или коэффициентами значимости этого параметр для суммарного качества конструкции:

K= _mm₀+_vV₀+_₀+_pP₀+_cC₀+_TT₀ (1.1)

где m₀, F₀, ₀, P₀, С₀, Т₀ — нормированные значения материаль-
ных параметров относительно заданных по техническому Заданию (ТЗ) либо отношения этих материальных параметров для разных сравниваемых вариантов конструкции; _m , _V, _, _P,, _C, _T — коэффициенты значимости частных материальных параметров, определяемые методом экспертных оценок; обычно их значения выбирают в пределах от О до 1.

17

Выражение (1.1) показывает, что чем меньше каждый из материальных параметров, тем выше качество конструкции при одних и тех же функциональных параметрах. Коэффициенты значимости определяются группой экспертов (желательно в количестве не менее 30 человек),которые в зависимости от назначения и объекта установки РЭС присваивают каждый то или иное значение коэффициента значимости параметрам. Далее их результаты оценки суммируются, определяются сред-
ние и среднеквадратичные значения этих коэффициентов, находятся допустимые поля отклонений и по ним устраняют «промахи» экспертов,которые исключают из общей суммы, и далее повторяют те же операции обработки данных В результате получают средние «достоверные» значения этих коэффициентов, а тем самым и само уравнение для расчетов.

Пример 1.1. Для бортового ракетного РЭС выбрать лучший вариант из двух методов конструирования: на печатных платах с корпусированными ИС широкого применения или на металлических рамках с бескорпусными микросборками.

Примем следующие значения коэффициентов значимости для ракетных РЭС _m=1, _V =_=0.8, _с = 0.5, _р = 0.4, т = 0.5. Поскольку потребляемая мощность РЭС при переходе от корпусированной ИС к ее бескорпусному варианту не меняется, то четвертую составляющую в уравнении (1.1) исключим. Для упрощения расчетов не будем учитывать и срок разработки. Из литературы [5] известно, что при выборе второго варианта
масса уменьшается в три раза, объем — в пять раз, частота отказов — в два раза, а стоимость увеличивается в три раза. Тогда в первом варианте значения всех нормированных показателей (самих относительно себя) будут равны 1, а во втором варианте составятсоответственно m₀ = 0.33, V₀= 0.2,  ₀ = 0.5 и С₀ = 3. Комплексные показатели качествадля первого и второго вариантов будут равны соответственно: К₁ = 11 + 0.81+0.81 + 0.51 = 3,1 и К₂= 1 • 0.33 + 0.80.2 + 0,80,5 + 0,5 •3 = 2,4. Таким образом, лучшим вариантом является второй.

К удельным показателям качества конструкции относят удельные
коэффициенты конструкций, плотность упаковки элементов на площади или в объеме, удельную мощность рассеяния на площади или в объеме (теплонапряженность конструкции), удельную массу (плотность) конструкции, величину истечения газа из объема конструкции (степень герметичности). По удельным коэффициентам оценивают прогресс развития новых конструкций по сравнению с предыдущими аналогами и прототипами. Они определяются по формуле k = М /Ф, где М — материальные, а Ф — функциональные показатели, и для каждого из типов радиоустройств или блоков имеют конкретную размерность. Так,

18

для антенных устройств, если в качестве основного параметра взять массу, то удельный коэффициент k _А = m/G кг/ ед. усиления, где G —коэффициент усиления антенны; для передающих устройств k_пер= m/Р_вых кг/ Вт, где Р_вых— выходная мощность передатчика.

Поскольку приемные устройства характеризуются многими функциональными параметрами (коэффициентом усиления, коэффициентом шума, полосой пропускания, выходной мощностью и др.), функциональная сложность и качество выполняемых функций для микросборочных конструктивов могут быть оценены количеством разработанных микросборок п _МСБ, тогда k _прм = m/п _МСБ кг/ МСБ. Аналогично можно рассчитать удельные коэффициенты в случае других материальных параметров и получить для сравнения аналогов их величины, выраженные

в см ³/ ед. усиления, см³/Вт, см³/ МСБ, р/ед. усиления, р/ Вт, р/МСБ и т.п. Такие оценки наиболее наглядны и не требуют доказательств.

Плотности упаковки элементов на плошади и в объеме оцениваются следующими выражениями: _S = N /S и _v=N/V соответственно, где N — количество элементов; S и V — занимаемые ими площадь или объем соответственно. Количество элементов определяется как N= N _ис n _э + n _ЭРЭ, где N _ис — количество ИС в устройстве; п _э — количество элементов в одной ИС (кристалле или корпусе); п_ЭРЭ — количество навесных электрорадиоэлементов в конструкции ячейки, блока,стойки.

Плотность упаковки является главным показателем уровня интеграции конструктивов того или иного уровня. Так, если для полупроводниковых ИС с объемом кристалла 1мм³ и количеством элементов в нем,равным 40 единицам,  _ис = 4010³ эл/см³ , то на уровне блока цифровых РЭС  _б = 40 эл/ см . Уменьшение плотности упаковки происходит по следующим причинам: кристаллы корпусируются; далее корпусированные ИС размещаются на плате с зазорами; при компоновке ФЯ в блок опять-таки появляются дополнительные зазоры между пакетом ФЯ и внутренними стенками корпуса. Да и сам корпус имеет объем стенок и лицевой панели, в котором нет полезных (схемных) элементов.Иначе говоря, при переходе с одного уровня компоновки на другой происходит потеря (дезинтеграция) полезного объема.

Коэффициент дезинтеграции определяется отношением суммарного объёма к полезному объему. Для блока цифрового типа коэффициент дезинтеграции q _v= V_б /(N_ис•V_ис) , где V_ис — объем одной

19

.

микросхемы (бескорпусной либо корпусированной в зависимости от метода конструирования). Следовательно, можно записать, что

_{ =}N_исn_Э/(q_VN_ИСV_ИС) = _ИС /q_V (1.2)

где _ис=n_э/Vис — плотность упаковки элементов в ИС.

В бескорпусной ИС цифрового типа малой степени интеграции эта величина составляет 40 тыс. эл/ см³. При установке кристалла бескорпусной ИС в корпус, например IV типа, происходит увеличение объема примерно в 200 раз, а при установке корпусированных ИС на плату и компоновке их в объеме корпуса — еще в пять раз, т.е. суммарный коэффициент дезинтеграции составляет уже 10 ³, при этом  _б = 40 эл/ см ³,что характерно для блоков III поколения РЭС цифрового типа.

Из выражения (1.2) следует, что при конструировании цифровых устройств высокой интеграции, кроме применения БИС и СБИС, требуется и достаточно компактная компоновка. ,

Аналоговые РЭС не содержат четко выраженных регулярных структур активных элементов: их число становится соизмеримым и даже меньшим, чем число пассивных навесных ЭРЭ (обычно одну аналоговую ИС «обрамляют» до 10 пассивных элементов — конденсаторов вместе с катушками и фильтрами), поэтому коэффициенты дезинтеграции объема еще более возрастают (в 3-4 раза). Из этого следует, что нельзя
сравнивать конструктивы разного уровня иерархии и различные по назначению и принципу действия, т.е. этот показатель качества не является универсальным для всех РЭС. К тому же, если в одной компактной конструкции применили ИС малой степени интеграции (до 100 элементов на корпус), а в другой плохо скомпонованной конструкции — БИС, то может оказаться, что вторая конструкция по этому показателю лучше, хотя очевидно, что она хуже. Поэтому при применении элементных
баз разной степени интеграции сравнение конструкций по плотности упаковки неправомерно.