Назаров_Конструирование_РЭС (Конструирование Радиоэлектронных Средств), страница 4

Так, если дляполупроводниковых ИС с объемом кристалла 1мм3 и количествомэлементов в нем,равным 40 единицам, γ ис = 40⋅103 эл/см3 , то науровне блока цифровых РЭС γ б = 40 эл/ см . Уменьшение плотностиупаковки происходит по следующим причинам: кристаллыкорпусируются; далее корпусированные ИС размещаются на платес зазорами; при компоновке ФЯ в блок опять-таки появляютсядополнительные зазоры между пакетом ФЯ и внутреннимистенками корпуса. Да и сам корпус имеет объем стенок и лицевойпанели, в котором нет полезных (схемных) элементов.Иначе говоря,при переходе с одного уровня компоновки на другой происходитпотеря (дезинтеграция) полезного объема.Коэффициентдезинтеграцииопределяетсяотношениемсуммарного объёма к полезному объему. Для блока цифровоготипа коэффициент дезинтеграции q v= Vб /(Nис•Vис) , где Vис —объем одной19.___________микросхемы(бескорпуснойлибо корпусированнойвзависимости от метода конструирования).

Следовательно,можно записать, чтоγσ =Nис⋅nЭ/(qV⋅NИС⋅VИС) = γИС /qV(1.2)где γис=nэ/Vис — плотность упаковки элементов в ИС.В бескорпусной ИС цифрового типа малой степени интеграцииэта величина составляет 40 тыс. эл/ см3. При установке кристаллабескорпусной ИС в корпус, например IV типа, происходитувеличение объема примерно в 200 раз, а при установкекорпусированных ИС на плату и компоновке их в объеме корпуса— еще в пять раз, т.е. суммарный коэффициент дезинтеграциисоставляет уже 10 3, при этом γ б = 40 эл/ см 3,что характерно дляблоков III поколения РЭС цифрового типа.Из выражения (1.2) следует, что при конструировании цифровыхустройств высокой интеграции, кроме применения БИС и СБИС,требуется и достаточно компактная компоновка.

,Аналоговые РЭС не содержат четко выраженных регулярныхструктур активных элементов: их число становитсясоизмеримым и даже меньшим, чем число пассивных навесныхЭРЭ (обычно одну аналоговую ИС «обрамляют» до 10пассивных элементов — конденсаторов вместе с катушками ифильтрами), поэтому коэффициенты дезинтеграции объема ещеболее возрастают (в 3-4 раза). Из этого следует, что нельзясравнивать конструктивы разного уровня иерархии и различныепо назначению и принципу действия, т.е. этот показателькачества не является универсальным для всех РЭС. К тому же,если в одной компактной конструкции применили ИС малойстепени интеграции (до 100 элементов на корпус), а в другойплохо скомпонованной конструкции — БИС, то может оказаться,что вторая конструкция по этому показателю лучше, хотяочевидно, что она хуже.

Поэтому при применении элементныхбаз разной степени интеграции сравнение конструкций поплотности упаковки неправомерно.Таким образом, плотность упаковки элементов в объемеконструктива является объективной оценкой качестваконструкции, но пользоваться этим критерием для сравнениянадо грамотно.Удельная мощность рассеяния определяет тепловуюнапряженность в объеме конструктива и рассчитывается какРуд pacc=Ppacc/V,где Р расс= (0,8... 0,9) Р для цифровыхрегулярныхструктур.Ваналоговых(особенноприемоусилительных) ячейках и блоках мощность рассеяния итепловая напряженность невелики, и тепловой режим обычнобывает нормальным. В устройствах цифрового типа чем вышетребова20ния к быстродействию вычислительных средств, тем большевеличинпотребляемоймощностиивышетепловаянапряженность.

Для РЭС на бескорпусных МСБ эта проблемаеще более усугубляется, так как объем при переходе от IIIпоколения к IV уменьшается в 5-6 раз. Поэтому в конструкцияхблоков цифрового типа на бескорпусных МСБ должныбыть мощные теплоотводы (металлические рамки, медныепечатные шины и т.п.). В некоторых случаях в бортовых РЭСприменяют и системы охлаждения, тип которых выбирается покритерию удельной мощности рассеяния с поверхности блока(Руд pacc=Ppacc/S Вт/дм2).

Для блоков цифрового типа III поколениядопустимая тепловая напряженность составляет 20...30 Вт/дм3 вусловиях естественной конвекции и при перегреве корпусаотносительно среды не более чем на 40°С, а для блоков IVпоколения — порядка 40 Вт/дм и более.Удельная масса конструкции m ' = m/V. Этот параметр ранеесчитался главным критерием оценки качества аппаратуры. Былопринято условное деление конструкций на «тонущую РЭА» (т ' > 1г/см ) и «плавающую РЭА» (т ' < 1 г/см ). Если конструкция —тонущая, то считалось, что она компактна и хорошо скомпонована(мало воздуха и пустот в корпусе).

Однако с появлениемконструкций РЭС IV поколения, в которых преобладающей долеймассы являются металлические рамки и корпус с более толстымистенками (для обеспечения требуемой жесткости корпуса принакачке внутрь сухого азота), даже плохо скомпонованныеячейки оказывались тонущими. И чем больше расходовалсяметалл, тем более возрастал этот показатель, уже не отражающий качество компоновки и конструкции в целом. Поэтомусравнивать конструкции по этому критерию отказались, но оноказался полезным для решения другой задачи: распределенияресурса масс в конструктивах (см.

разд. 3.9).Степень герметичности конструкции D определяется величинойистечения газа из объема конструкции:D=VГ pτ(1.3)где Vг — объем газа в блоке, дм3 ; р — перепад внутреннего ивнешнего давлений (избыточное давление) в блоке, Па (1 Па = 7,5мкм рт.ст.);τ — срок службы или хранения, с.Для блоков объемом Vг = 0,15 ... 0,2 дм3 в ответственных случаях при нормальном давлении к концу срока службы в течениевосьми лет степень герметичности21D = 6,65-6 дм3·Па/с (5,5-10-5 дм 3 · мкм рт.ст/с);в менее ответственных случаях полная вакуумная герметизация необеспечивается, степень герметичности может быть уменьшена до1,33·10-4 дм 3 • Па/с (10 -3 дм 3-мкм рт.ст/с).К относительным показателям относятся коэффициенты дезинтеграции объема и массы, показатель функционального разукрупнения,величина перегрузки конструкции при вибрациях и ударах, а такжемногие параметры технологичности конструкции, такие как коэффициенты унификации и стандартизации, коэффициент повторяемостиматериалов и изделий электронной техники, коэффициент автоматизации и механизации и др.В конструкциях РЭС разного уровня компоновки при корпусировании ИС, компоновке их в ячейки и далее в блоки и стойки происходитпотеря полезных объемов, а следовательно, и масс.

Величина этих яотерь может быть весьма значительна. Оценка потерь (дезинтеграции)объемов и масс проводится с помощью коэффициентов дезинтеграцииqv и qm соответственно, определяемых как отношение суммарногообъема (массы) конструктива к его полезному объему (массе):qv=V/VN, qm=m/mN,(1.4)где VN = Σ VСЭ , mN = Σ mСЭ — полезные объем и масса схемныхэлементов.Коэффициенты дезинтеграции объема (или массы) q V(m) показывают, во сколько раз увеличивается суммарный объем (или масса)комплектующих изделий при переходе с одного уровня компоновкина более высокий.

Например, при переходе от нулевого уровня (корпусированных микросхем) к первому (функциональной ячейке) имеем q v ( m ) = V(m) фя /Σ V(m) ис , при переходе от ячейки к блокуv ( m ) = V(m)б / Σ V(m) ФЯ и т.д., где V(m) ис ,V(m) ФЯ ,V(m)б —соответственно объемы (или массы) микросхемы, ячейки, блока.Коэффициенты дезинтеграции, как и плотность упаковки, реальноотражают качество конструкции, в частности ее компактность, но и онине могут быть использованы для сравнения конструктивов, относящихся к разным поколениям, разным уровням конструктивной иерархии,или РЭС различного назначения и принципа действия.Анализ существующих наиболее типовых конструктивов разных поколений и различного назначения позволил получить средние значе22qния их коэффициентов дезинтеграции объема и массы (табл. 1.1). Втаблице приведены и значения удельной массы конструктивов.Таблица 1.1Вариант конструктиваБлок разъемной конструкциииз ФЯна печатных платах с ИС вкорпусах IIтипа (цифровой)Блок книжной конструкциииз ФЯна печатных платах с ИС вкорпусах IVтипа (цифровой)qVКТЕ*ФЯqmm ', 3ФЯ- КТЕ*- ФЯ- г/смБФЯБ10,21,84,71,50,56,41,83,21,30,52115,61,91,97,74,83,03,01,071,210,5—6,6—0,617,4—-11,5—1,6Модуль СВЧ намикрополосковых МСБпри:односторонней компоновке;двухсторонней компоновке6,75,6—14,08,5—0,920,97Субблок из бескорпусныхМСБс теплоотводом (силовой)9,4—1,5—1,3Блок книжной конструкции изФЯна бескорпусных МСБ(цифровой) при:односторонней компоновке;двухсторонней компоновкеСубблок пенальнойконструкциина корпусированных ИС(аналоговый)Субблок пенальнойконструкциина бескорпусных МСБ(аналоговый)* КТЕ — конструктивно-технологическая единица: для РЭСIIIпоколения — корпусированная ИС, для РЭС IV поколения —бескорпусная МСБПоказатель функционального разукрупнения (ПФР) конструкциипредставляет собой отношение количества элементов N вконструктиве к количеству выводов М из него: ПФР = N / М.Например, для цифровой бескорпусной МСБ, содержащей 12бескорпусных ИС с 40 элементами в каждом кристалле(N=40•12=480 элементов) и 16 выходными контактнымиплощадками ПФР= 480/ 16 = 30.

Чем выше ПФР, темближеконструкция к конструктиву высокой интеграции, тем меньшемонтажных соединений, тем выше надежность и меньше масса игабариты. Наибольшее число функций и элементов монтажа содержатБИС и СБИС. Однако и у них есть предел степени интеграции,определяемый количеством допустимых выводов от активнойплощади кристалла к периферийным контактным площадкам (разд.1.4).23Наконец, перегрузка п действующих на конструкцию вибраций илиударов определяется как отношение возникающего от их действия ускорения масс элементов конструкции к ускорению свободного падения:п = a/g , где а — ускорение при вибрации (или ударе).