ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ НА МИКРОСХЕМАХ

Рассмотрим теперь более подробно те элементы конструкции и процессы создания аппаратуры, которые специфичны для микро­электронных устройств, в частности многослойные печатные платы, а также вопросы компоновки узлов, ячеек, блоков и обеспечения необходимого теплового режима.

Печатные платы для установки микросхем. Печатные платы служат основанием для монтажа микросхем и обеспечивают комму­тацию всех элементов в соответствии с принципиальной схемой. Применение печатных плат позволяет на один-два порядка повысить плотность компоновки по сравнению с объемным монтажом и на порядок снизить массу.

В устройствах малой сложности и в аппаратуре, к которой не предъявляются очень высокие требования к плотности монтажа, применяют однослойные и двуслойные платы. В аппаратуре средней и большой сложности часто используют многослойные печатные платы.

Однослойные и двуслойные платы (рис. 8.6,а) состоят из осно­вания, на которое с одной или двух сторон наносятся печатные про­водники. Основания плат должны обладать достаточной механиче­ской прочностью, малыми диэлектрическими потерями, высокой на-гревостойкостью и хорошей адгезией (сцепляемостью) материалов платы и печатных проводников. При изготовлении печатных плат широко используют стеклотекстолит, стеклоткань, гетинакс, фторо-пласт-4 и некоторые другие диэлектрики. Толщина плат 0,8 — 3 мм, а их типовые габаритные размеры 135x110; 135X240; 140X130; 140X150; 140X240; 150X200; 170X75; 170Х110; 170X120; 170Х XI30; 170X150; 170X160; 170X200. Печатные проводники выпол­няют чаще всего из меди, алюминия, никеля или золота толщиной 20 — 70 мкм.

При выборе сечения, конфигурации и расстояния между провод­никами исходя из допустимой плотности тока (менее 20 А/мм2), рабочего напряжения, условий теплоотвода и прочности сцепления .проводников с основанием. Ширина проводников печатных плат обычно составляет 1,5 — 2,5 мм, а расстояние между ними 0,3 — 1 мм. Для плат с повышенной плотностью монтажа ширину проводников и зазоры между ними уменьшают до 0,15 — 0,5 мм.
Во избежание короткого замыкания припоем во время пайки минимальное расстояние между проводниками у мест соединения берут не менее 1,5 мм.

Рис. 8.6. Печатные платы:
а — однослойная плата (1 — координатная сетка; 2 — печатные проводники; 3 — основание; 4 — металлизированные отверстия); б — трехслойная плата
Для установки микросхем и навесных деталей на плате про­сверливают и металлизируют отверстия, которые располагают в узлах координатной сетки (рис. 8.6,а). Обычно шаг сетки равен 25 или 125 мм, но иногда он может быть уменьшен до 0,5 мм. При шаге в 2,5 мм допуск на точность размещения отверстий со-ставпяет 0 13 мм, что сравнительно легко достигается с помощью современной технологии. Если требуется сделать шаг меньше, точ­ность размещения отверстий возрастает, что увеличивает стоимость плат.
Диаметр отверстия исходя из условий пайки должен быть боль­ше диаметра вывода микросхемы на 0,15 — 0,25 мм и в 3 раза мень­ше толщины платы. Вокруг монтажного отверстия создают контакт­ную площадку на 0,6 — 1,5 мм больше диаметра отверстия.


Конфигурацию проводников выбирают такой, чтобы исключить отстаивания от основания, в частности, не допускается образование прямых или острых углов. Радиус закругления проводников не дол­жен быть меньше 2 мм.
Изображения проводников наносят на плату следующими спо­собами: фотографическим, т. е. контактным копированием, при ко­тором плата предварительно покрывается светочувствительной эмульсией получаемое при этом способе изображение имеет точ-ность +0,15 мм; способом сеткографии, т. е. продавливанием через сетчатый трафарет кислотощелочноупорной краски, точность изобра­жения +03 мм; способом офсетной печати, при котором кислото-щепочноупорная краска переносится с цинкографического клише на резиновый валик, а с него на плату, точность изображения ±0,2 мм. В бытовой аппаратуре (радиоприемники, телевизоры, магнито­фоны и т. п.) обычно используют второй способ.
Наиболее распространенными методами нанесения металличе­ских проводников являются: химический, предусматривающий изби­рательное удаление металла с предварительно фольгированной пла­ты- комбинированный, представляющий собой комбинацию техноло­гических приемов травления фольгированного диэлектрика с после­дующей металлизацией монтажных отверстий.


В последние годы получили распространение так называемые аддитивные и полуаддитивные методы изготовления печатных плат, не связанные с травлением фольгированного диэлектрика. Нанесе­ние проводников осуществляют либо чисто химическим наращива- нием (аддитивные платы) или в комбинации с электрохимическим их Нормированием (полуаддитивные платы). Достоинства этих ме­тодов — повышенная точность рисунка проводников и равномерная толщина металлизированного слоя. Указанные методы используют в тех случаях когда нужно обеспечить минимальные значения шк-пины проводников и зазоров между контактными площадками (шаг 0125 — 05 мм). Аддитивные и полуаддитивные платы, в частности, применяют при использовании керамических кристаллодержателей (микрокорпусов) без выводов, вместо которых используют контакт­ные площадки на основании кристаллодержателя. Для установки керамических кристаллодержателей применяют платы из вышеука­занных материалов, а также из керамики.
В аппаратуре, построенной на микросхемах первой и второй степени интеграции, наибольшее распространение получили платы с расположением печатных проводников с одной и двух сторон основания.

Рис. 8.7. Межсоединения с помощью метал­лизации:
а — этапы изготовления четырехслойиой печатной платы методом попарного прессования (1 — исходные двусторонние печатные платы; 2 — спрессованная плата; 3~ готовая плата с метал­лизированным отверстием); б — соединения путем металлизации сквозных отверстий
Многослойные печатные платы (МПП) представляют собой единый монтажно-коммутационный узел, состоящий из чере­дующихся слоев токопроводящего и изо­ляционного материала. Пример трехслой­ной печатной платы показан на рис. 8.6,6. В пределах каждого слоя МПП подобны односторонним платам. Многослойные платы характеризу­ются повышенной плотностью монтажа, большой устой­чивостью к внешним воздействиям. Они сокращают длину межсоеди­нений, а следовательно, и задержку прохождения сигналов. Этот фактор имеет большое значение, так как при длине соединений в 10 — 15 см время задержки сигнала в печатной плате составляет примерно 1 не, что соизмеримо со временем задержки быстродейст­вующих микросхем.


Многослойные печатные платы отличаются от односторонних и двусторонних наличием соединений между большим числом слоев, повышенными требованиями к точности технологиче­ских операций и электрическим параметрам. Процесс изготовления Таких плат более сложен.
Межсоединения в МПП осуществляются с помощью механиче­ских деталей (пистонов, штифтов, лепестков), печатных проводни­ков и металлизации. Первые два способа из-за трудоемкости и не­высокого качества соединений не нашли широкого применения. Наи­более распространен третий способ, при котором межсоединения создаются путем металлизации (попарное прессование, металлиза­ция сквозных отверстий). При попарном прессовании межслойные соединения выполняют на двусторонних платах путем металлизации отверстий. Платы склеивают прессованием, после чего между на­ружными слоями металлизации создают соединения. Этапы изготов­ления четырехслойной печатной платы приведены на рис. 8.7,а. Не­посредственного соединения, между внутренними слоями нет, оно осуществляется через наружные. Способ попарного прессования сравнительно прост, он позволяет получать надежные соединения и используется при малом числе слоев.
Изготовление межсоединений путем металлизации сквозных отверстий заключается в следующем. Пакет из заготовок с выпол­ненными проводниками склеивают прессованием. Затем просверли­вают и металлизируют сквозные отверстия, обеспечивающие соеди­нения схем, расположенных на различных внутренних слоях (рис. 8.7,6). Для увеличения контактирующей поверхности между металлом проводников и металлизацией используется подтравли-вание диэлектрика во внутренних слоях. Изготовление межсоедине­ний путем металлизации сквозных отверстий — наиболее распростра­ненный способ из-за простоты, хорошего качества соединений и вы­сокой технологичности,
На практике иногда совмещают попарное прессование с метал­лизацией сквозных отверстий.
Число слоев МПП выбирают в зависимости от сложности прин­ципиальной схемы, степени интеграции микросхем и требований к плотности монтажа.


Наиболее часто используют платы с четырь­мя — восемью слоями, однако число слоев может быть и большим. Каждую функциональную цепь стремятся располагать на от-дечьном слое, например слой питания, слой нулевого потенциала (зёмчи) слой соединений логических элементов. Иногда слои пита­ния и земли выполняют в виде сплошной или сетчатой поверхности, которая одновременно выполняет функцию экрана.
Внутри многослойной печатной платы возгожно создание тон­кого слоя резнстивного материала, расположенного между подлож­кой и слоем фольги. На базе резистивного слоя можно затем фор­мировать необходимые резисторы. Такой метод позволяет уменьшить размеры устройства. ,,,-тп
В связи с тем, что печатные проводники и отверстия в МПП распочагают очень плотно и они имеют малые размеры, необходимо учитывать паразитную емкость и сопротивление проводников. Емкость между соседними проводниками, расположенными парал-лечьно в соседних слоях, может достигать 3 пФ/см. Для ее умень­шения проводники располагают взаимно перпендикулярно. Для этой же цечи иногда увеличивают расстояние между слоями путем испочьзования нескольких слоев склеивающей стеклоткани. Сопро-тнв-ение печатных проводников составляет 2,4 мОм/см, а сопро­тивление сквозного металлизированного отверстия не превышает 10 мОм/см.
Существуют определенные ограничения плотности размещения входных контактов на многослойных платах. При использовании штыревых контактов, расположенных в несколько рядов, расстоя-ние между штырями должно быть не менее 2,5 мм, а диаметр шты­ря не должен превышать 0,7 мм. При пленарных выводах контакты располагают в один ряд с шагом 1,25 мм.
С увеличением числа микросхем на печатной плате усложняется ее топология и повышается трудность разработки. При создании плат стоемятся уменьшить число слоев и минимизировать длину соеденительных проводников. Для сложных устройств поиск опти­мальной топологии вручную очень затруднителен, поэтому для трассировки плат все шире применяют ЭВМ.


Большая сложность МПП затрудняет контроль качества. Наи­более часто используют методы автоматической проверки на це­лостность проводников и отсутствие коротких замыкании между ними. Для проверки МПП закрепляют на рабочем столе контроль­ной установки и к монтажным отверстиям платы прижимают пру-жинящие контакты, подключающие участки рисунка плат к кон­трольной схеме. Более подробные сведения о печатных платах имеются в [42].
Размешение микросхем, компоновка узлов, ячеек и блоков. Интегральные микросхемы и микросборки на печатных платах, как правило располагают рядами, хотя допускается их расположение в шахматном порядке. Установку и крепление микросхем на плата производят, учитывая легкость доступа к любой из них и возможность замены.

Рис. 8.8. Установка микросхем на печатную плату:
а, б — микросхемы со штыревыми выводами; в — микросхемы с пленарными выводами (1 — микросхема; 2 — основание; 3 — теплоотводящая шина; 4 — прокладка)
Микросхемы со штыревыми выводами при расстоянии между выводами, кратном 2,5 мм, располагают на печатной плате таким образом, чтобы их выводы совпадали с узлами координатной сетки (рис. 8.6,а). Если расстояние между выводами не кратно 2,5 мм, то их располагают так, чтобы один или несколько выводов совпа­дали с узлами координатной сетки. При этом микросхемы устанав­ливают только с одной стороны печатной платы, причем между микросхемами и платой обычно оставляют зазор. Допускается при­менение изоляционной прокладки из пресс-материалов, которую при­клеивают к плате. Примеры крепления рассматриваемых элементов показаны на рис. 8.8,а, б.

Рис. 8.9. Разметка посадочных мест для микросхем:
а — для штыревых выводов; б — для пленарных выводов

Рис. 8.10. Варианты располо­жения выводов

Рис. 8.11. Установка микро­схем с учетом направления воздушного потока
Микросхемы с пленарными выводами припаивают к металлизи­рованным контактным площадкам печатной платы. Варианты их крепления приведены на рис. 8.8,в.


Такие микросхемы могут устанавливаться как с одной, так и с двух сторон печатной платы. Микросхемы повышенной степени интеграции (третьей и более) часто устанавливают на теплоотводящее металлическое основание ячейки или индивидуальные радиаторы.
Примеры разметки посадочных мест для микросхем на печатной плате даны на рис. 8.9,а, б. При установке микросхемы первый ее вывод должен быть совмещен с ключом, нанесенным на плату. Выводы на плате могут располагаться как в один ряд (рис. 8.10,а), так и в шахматном порядке (рис. 8.10,6).
Шаг установки микросхем на печатной плате определяется кон­структивными параметрами корпуса, числом выводов, требуемой плотностью компоновки, температурным режимом блока. Шаг уста­новки микросхем выбирают кратным 2,5 мм для микросхем с рас­стоянием между выводами 2,5 мм и кратным 1,25 мм для микро­схем с расстоянием между выводами 1,25 мм. Шаг может быть от 15 мм (для корпуса 151.15 — 1) до 70 мм (для корпуса 244.48 — 1).
Основным методом компоновки микросхем считается плоскост­ной, при котором элементы устанавливают на печатной плате в одной плоскости с одной или двух сторон. Микросхемы в прямо­угольных корпусах обычно размещают с учетом направления воз­душного потока, как показано на рис. 8.11. Это позволяет создать наилучшие условия для их охлаждения. Используют и другие спо­собы установки микросхем на платах. Так, для микросхем со шты­ревыми выводами используют объемные конструкции в виде «гар­мошки», «вафли» и т. п. В первом случае (рис. 8.12,а) применяют гибкую печатную плату, между перегибами которой устанавливают микросхемы. Во втором случае (рис. 8.12,6) микросхемы крепят к жестким платам. Такие конструкции применимы только при облег­ченном тепловом режиме. В некоторых конструкциях микросхемы крепят на гибком основании из резины («ремне»), которое прошито соединительными проводами (до 250 шт.).

Рис. 8.12. Варианты установки микросхем на платы: о — гибкие платы; б — жесткие платы (1 — плата; 2 — ми­кросхема)


Бескорпусные микросборки обычно устанавливают на теплоотво-дящее металлическое основание ячейки или индивидуальные метал­лические шины. Размеры плат микросборок составляют от 16X7,5 до 48X30 мм, от этих размеров зависит шаг их установки. На пе­чатные платы (а также в микросборки и гибридные микросхемы) могут устанавливаться безвыводные керамические кристаллодержа-тели или кристаллы бескорпусных микросхем. Такие кристаллы мо­гут поставляться на ленточных носителях, представляющих собой основание, на котором установлен герметизированный кристалл и нанесен рисунок соединений, который обеспечивает коммутацию между печатной платой и кристаллом. Перед установкой часть лен­ты с кристаллом и соединениями вырезают и затем устанавливают на плату. Использование ленточного носителя кристаллов значитель­но облегчает автоматизацию монтажа, особенно когда требуется соединение с большим числом выводов.
Навесные детали устанавливают на печатных платах с исполь­зованием посадочных мест микросхем. При одностороннем монтаже эти детали крепят со стороны расположения микросхем, а при дву­стороннем — со стороны размещения разъемов.
В качестве навесных компонентов применяют малогабаритные керамические (КЛГ, КМ, К10-9, К10-17, К10-22) и оксидно-элек­тролитические конденсаторы (К53-10, К53-15), резисторы СЗ-2, СЗ-3, дроссели ДМ, трансформаторы ММТИ-35, ТИГ-34, катушки индук­тивности на карбонильных тороидальных сердечниках марки Р-100 либо пленочного типа на подложках малых размеров и др.
Крупногабаритные радиодетали и узлы группируют, как прави­ло, в отдельные ячейки. При совместной компоновке микросхем и крупногабаритных дискретных компонентов рекомендуется группи­ровать микросхемы в узлы, соизмеримые по высоте с дискретными компонентами, т. е. применять объемно-плоскостной метод компо­новки (рис. 8.13).

Рис. 8.13. Компоновка узлов на микросхемах совместно с навесны­ми деталями (1 — узлы с микросхемами; 2 — дискретные компонен­ты; 3 — печатная плата)


Объемно-плоскостной монтаж применяют и в случае использо­ вания готовых узлов пакетной конструкции на микросхемах. Паке­ты набирают из корпусированных микросхем с пленарными выво­дами, располагают их одну на другой и заливают компаундом. Монтаж соединений производят на боковых гранях пакета, куда выходят выводы, с помощью напыленных проводников. Такая кон­струкция позволяет сравнительно просто увеличить плотность ком­поновки микросхем.
Ячейки чаще всего содержат одну или две платы. Число пе­чатных плат определяется требованием функциональной законченно­сти ячеек, их повторяемостью, а также габаритными размерами плат и ячеек.
Конструктивно ячейки могут быть выполнены в бескаркасных и каркасных вариантах. Роль несущего элемента в бескаркасном одноплатном варианте выполняет печатная плата. Такие ячейки применяют в слабонагруженпой аппаратуре. Использование бескар­касных конструкций в сильно нагруженной аппаратуре допускается при наличии в блоках дополнительных элементов конструкций, обеспечивающих необходимую механическую прочность ячеек. При­меры бескаркасных ячеек показаны на рис. 8.14,о, б.
В бескаркасном исполнении создают ячейки-модули первого уровня. Они обычно имеют типовые размеры печатной платы 170X75, 170X200. Пример конструкции модуля показан на рис. 8.14,е.
В каркасных конструкциях роль несущего элемента выполняет рамка или металлическое основание ячейки. Каркасные конструкции ячеек применяют в аппаратуре с высокими механическими требова­ниями, при двух- и многоплатных конструкциях ячеек, а также при использовании схем повышенной степени интеграции.
На рис. 8.15 показан пример каркасной ячейки, на литое ме­таллическое основание -которой установлены микросхемы третьей-четвертой степени интеграции; их выводы припаивают к печатной плате, прикрепленной снизу к металлическому основанию.
Блоки аппаратуры на микросхемах чаще всего имеют разъем­ную или книжную конструкцию.
Электрические соединения между узлами, ячейками и блоками осуществляют плоским кабелем, гибким печатным кабелем или мон­тажными проводниками.


Плоский кабель (тканый или спрессован­ный)—это совокупность проводов (до 60), расположенных парал­лельно в одной плоскости и скрепленных нитями и оплеткой или опрессовкой полимерными материалами. Максимальная ширина ка­беля 65 мм, длина не менее 40 мм. Кабель устанавливают с одной стороны печатной платы (рис. 8.16,а).
Гибкий печатный кабель (рис. 8.16,6) представляет собой сово­купность печатных проводников, расположенных параллельно друг другу в одной плоскости на гибком электроизоляционном основании. Максимальная ширина печатного кабеля может быть 150 мм, тол­щина 0,1 — 0,5 мм, длина — не более 350 мм. Электрические соеди­нения между платами одной ячейки выполняют обычно гибким пе­чатным кабелем, между ячейками в блоке — гибким печатным или плоским кабелем. Иногда применяют объемный монтаж проводами сечением не более 0,2 мм2, имеющими специальную изоляцию (ГФ, МГТЛ, МГШВ и др.). Электрические соединения между ячейками могут осуществляться с помощью коммутационной печатной платы, на которой распаивают кабели ячеек. Соединения между блоками чаще всего осуществляют монтажными проводами,

Рис. 8.14. Конструкция бескаркасных ячеек:
а — ячейка с микросхемами и дискретными компонентами (штыревой разъем) (1 — печатная плата; 2 — микросхемы; 3 — дискретные компоненты; 4 - — колод­ка для контроля; 5 — вилка разъема); б — ячейка с микросхемами (печатный разъем); в — ячейка модуль первого уровня (6 — розетка разъема СЙП34)
Электрические соединения на печатной плате ячейки и между ячейками в значительной мере определяют помехоустойчивость аппа­ратуры. Помехоустойчивость зависит от величин паразитных связей, имеющих в основном емкостный характер. Наличие паразитных емкостей между проводниками может вызвать наведение сигнала в соседних соединительных линиях между элементами и, как след­ствие этого, ложное срабатывание микросхем или сбой полезного сигнала. Кроме того, с увеличением емкости на выходе микросхемы снижается ее быстродействие, коэффициент усиления и т.


п.

Рис. 8.15. Каркасная ячейка для микросхем ИСЗ, ИС4 и микросбо­рок (1 — печатная плата; 2 — микросхема; 3 — литое основание)
Погонная емкость межсоединений составляет при двустороннем печатном монтаже (толщина диэлектрика 1,5 мм и относительная диэлектрическая проницаемость е=3,6) 60 — 120 пФ/м; при много­слойном монтаже (на той же плате) 100 — 250 пФ/м; для проводни­ка при навесном монтаже 30 — 40 пФ/м; для проводника в объем­ном жгуте (плотность 10 — 40 проводов на 1 см2 сечения) 40—70 пФ/м. Значения допустимых емкостей между двумя соседними сигнальными проводниками составляют при длительности импульс­ных сигналов (2 — 5)tзд,р,ср для серии 133 — 10 — 50 пФ, для серии 137 5 — 80 пФ, для серии 217 5 — 20 пФ.
Значения допустимой паразитной емкости между проводниками входа и выхода при условии снижения коэффициента усиления на 10% составляют для серии 140 — 10 пФ, для серии 740 — 25 пФ.

Рис. 8.16. Соединительные кабели:
а — плоский тканый кабель (1 — кабель; 2 — плата: 3 — скоба для крепления кабеля); б — гибкий печатный кабель
На помехоустойчивость также оказывает влияние индуктивность печатных проводников, особенно шин питания и заземления. Погон­ная индуктивность печатного проводника при его толщине 0,05 мм составляет 0,018 — 0,009 мкГн/см в диапазоне ширины проводника от 0,2 до 6 мм. Допустимая индуктивность шин заземления зависит от протекающих з них импульсных токов и составляет, например для серии 133, 0,04 — 0,63 мкГн (при перепаде тока 160 — 80 мА).
По допустимым и погонным значениям паразитных емкостей и нндуктив.ностей рассчитывают допустимую длину соединений.
Для обеспечения помехоустойчивости при расположении микро­схем в ячейках и трассировке соединений между ними придержи­ваются ряда правил. При использовании микросхем различной сте­пени интеграции элементы с высокой степенью интеграции устанав­ливают непосредственно у концевых контактов. При размещения микросхем стремятся обеспечить минимальную длину соединений между ними.


При этом по возможности увеличивают расстояние между проводниками и располагают проводники в соседних слоях во взаимно перпендикулярных направлениях. При использовании в ячейках высокочастотных микросхем электрические соединения между ними часто осуществляют в виде скрутки сигнального и зем­ляного проводов. В подобном соединении уменьшается внешнее электромагнитное поле, поскольку токи в проводниках протекают в противоположных направлениях. Благодаря этому удается сни­зить наводки в соседних линиях.
Для уменьшения уровня помех, обусловленных индуктивностью шин питания и заземления, ширину этих шин по возможности уве­личивают до 5 мм и более. Для снижения низкочастотных пульса­ций в шинах питания применяют блокирующие конденсаторы, вклю­чаемые между выводами «питание» и «земля» около разъема пе­чатной платы. Их емкость для серии 133 (155) выбирают из расче­та 0.1 мкФ на микросхему.

Рис. 8.17. Оптическая линия связи (1 — основание; 2 — крышка; 3 — световод; 4 — вы­воды; 5 — светодиод; 6 — фото­диод)
Конденсаторы для подавления высокочастотных пульсаций в це­пях питания распределяют по площади печатной платы равномерно относительно микросхем из расчета один конденсатор емкостью 0,02 мкФ на группу, содержащую не более 10 микросхем. Для ми­кросхем повышенной степени интеграции емкость увеличивают до 0,1 миф и устанавливают конденсаторы около каждой микросхемы. Для повышения помехоустойчивости отдельные проводники, а также микросхемы и навесные радиодетали могут быть экранированы.
В последнее время для передачи сигналов применяют оптиче­ские линии связи, позволяющие обеспечить высокую помехоустой­чивость, исключить излучение соединительных линий, а также обеспе­чить гальваническую развязку соединяемых цепей. Оптическая линия связи содержит светодиод (или лазер), управляемый электрическим сигналом, волоконный световод, пропускающий световой поток с ма­лыми потерями, и фотодиод (фототранзистор), преобразующий све­товой поток в электрический сигнал.


В оптических линиях связи наибольшее применение в качестве источников излучения получили светодиоды на основе арсенида галлия, хорошо согласующиеся по спектральным характеристикам с кварцевыми световодами и обеспе­чивающие достаточную мощность излучения. В качестве приемников используют кремневые лавинные фотодиоды и p-i-n структуры.
Длина соединений может быть обеспечена от 0,2 до нескольких сотен метров, число каналов от 1 до 150, диаметр световодного кабеля от 3 до 20 мм (в зависимости от числа каналов). На рис. 8.17 приведен пример построения одноканальной оптической линии связи с использованием волоконного световода.
При объединении микросхем в ячейки и затем в блоки происхо­дит увеличение габаритных размеров и массы конструкции за счет тех ее элементов, которые предназначены для крепления ячеек, уста­новки разъемов, внутриблочного монтажа и т. п. Усредненные объ­емно-массовые характеристики некоторых конструкций РЭА на кор­пусных микросхемах первой и второй степеней интеграции приведе­ны в табл. 8.3.
При использовании микросхем с высокой степенью интеграции плотность размещения элементов значительно повышается.
Плотность размещения микросхем в блоках обычно не превы­шает 1 — 1.5 в см3.
Одной из перспективных конструкции являются герметизирован­ные блоки, в которых применяют бескорпусные микросхемы и ми­кросборки. Использование при этом групповой защиты микросхем позволяет значительно уменьшить объем аппаратуры. Это можно проиллюстрировать следующим примером. Объем корпуса микро­схемы типа 252МС15 составляет 856 мм3, а сама гибридная микро­схема занимает объем 60 мм3. Только за счет отсутствия корпуса можно получить выигрыш в полезном объеме в 14 раз. Если учесть также уменьшение зазоров между микросхемами при отсутствии корпусов, то этот выигрыш возрастает еще больше.
При использовании бескорпусных микросхем и микросборок часть соединений переносят на подложку, где они занимают в де­сятки раз меньший объем, чем на печатной плате.


В целом при использовании бескорпусных микросхем и микро­сборок в общем герметичном блоке удается повысить плотность размещения элементов в 2 — 8 раз. Применение бескорпусных микро­схем и микросборок приводит также к повышению надежности за счет уменьшения числа паяных соединений с печатной платой, вместо которых применяют более надежные способы соединений — напыление и термокомпрессионную сварку на подложках.
Таблица 8.3

Тип микросхемы	Масса на один элемент, Г/ЭЛ	Плотность размещения элементен, эл/см3
микро­схема	яч ейка	блок	микро­схема	ячейка	блок
Гибридные	0,07	0,3	0,5	50	10 — 15	3 — 5
Полупроводниковые	0,03	о,?	0,4	100	15 — 20	4 — 7

При конструировании аппаратуры на микросхемах соединениям элементов уделяют особое внимание, поскольку они в значительной мере определяют надежность всего устройства. На долю соединений приходится до 60% общего количества отказов РЭА.
Основной способ соединения микросхем с печатными платами и создания межсоединений в ячейках и блоках — пайка. Пайка не требует сложного и дорогостоящего оборудования, экономически выгодна, позволяет легко заменять вышедшие из строя микросхемы и другие детали. Перспективна сварка, которая позволяет получить большую, чем при пайке, надежность соединений, а также умень­шить объем аппаратуры за счет сокращения площади соединений. Используемые в микроэлектронной аппаратуре методы сварки можно разделить на сварку давлением и плавлением. Сварка давлением (термокомпрессионная, ультразвуковая и электроконтактная) обес­печивает соединение при совместном действии давления и нагрева. Нагрев не расплавляет соединяемые металлы, а лишь увеличивает их пластичность. Сварка плавлением (электроконтактная, электрон­ным лучом и лучом лазера) соединяет металлы путем их плавления в зоне сварки и последующей кристаллизации.

Рис. 8.18. Зависи­мость допустимого перегрева воздуха от удельной мощ­ности рассеяния (1 — герметичный блок; 2 — естест­венное охлажде­ние; 3 — принуди­тельное охлажде­ние)


Кроме указанных методов применяют также соединения с по­мощью накрутки проводника на штырь. Монтаж методом накрутки заключается в том, что несколько (обычно от четырех до шести) витков провода с помощью специального инструмента навивают с заданным натяжением на жесткий вывод — штырь квадратного или прямоугольного сечения. Натяжение провода при накрутке вели­ко и в точках контакта достигает 1800 кГ/см2. Это достаточно для разрушения оксидной пленки на соединяемых элементах и такого вдавливания провода в вывод, что в месте контакта образуются га­зонепроницаемые поверхности. Такое соединение очень надежно, особенно при сильных механических воздействиях. Недостатками этого метода является увеличение объема по сравнению с другими мето­дами и трудность ремонта.
Вопросы конструирования аппаратуры на микросхемах обобще­ны в [2, 39, 40, 43 — 47].
Теплоотвод в микроэлектронной аппаратуре. В микроэлектрон­ной аппаратуре, которая характеризуется большой плотностью эле­ментов, особенно при использовании микросхем повышенного уров­ня интеграции, значительное внимание должно быть уделено вопро­сам создания необходимого теплового режима. Он определяется вы­деляемой мощностью и условиями охлаждения.
При определении необходимого способа охлаждения аппаратуры исходят из удельной мощности рассеяния qQ=P6/V6, где Рб — сум­марная мощность, выделяющаяся в блоке; VQ — объем блока.
Другим фактором, который учитывают в данном случае, являет­ся допустимая температура перегрева воздуха в блоке: Тп=Тдоп — Т0, где Гдоп — допустимая температура в блоке; Т0 — температу­ра окружающей среды.
Способ охлаждения выбирают с использованием графика зави­симости Тп=f(qб), приведенного на рис. 8.18. На графике показаны зоны, соответствующие различным способам охлаждения. Если точ­ка, соответствующая проектируемому блоку, лежит в зоне 1 или левее, то в этом случае можно использовать герметичную конструк­цию и не применять никаких мер по теплоотводу.


В области 2 тре­буется естественное охлаждение с помощью теплопроводности и кон­векции. Наконец, в области 3 необходимо принудительное охлажде­ние. Если точка, соответствующая рассматриваемому блоку, нахо­дится в зоне наложения областей, целесообразно выбирать верхнюю как отвечающую более простому способу охлаждения.
Для создания допустимого теплового режима аппаратуры по возможности стремятся к использованию микросхем с минимальной рассеиваемой мощностью в реальном режиме эксплуатации.
Один из эффективных путей облегчения теплового режима — . использование теплоотводящих шин. На рис. 8.19,а, показан вариант такого теплоотвода для плоских корпусов. При этом тепловое со­противление корпуса уменьшается с 250 до 20°С/Вт.

Рис. 8.19. Варианты теплоотвода:
а — с теплоотводящей шиной (1 — микросхема; 2 — шина); б — установка в ра­диатор (1 — микросхема; 2 — радиатор)
Иногда микросхемы устанавливают в радиаторы, как показано на рис. 8.19,6. При создании теплоотводящих путей стремятся к уменьшению теплового сопротивления на всех участках от микросхемы до кожуха блока. Для этого при креплении микросхем при­меняют клеи с высокой теплопроводностью, используют припайку микросхем к ячейкам и т. п. Большое значение имеет тепловое со­противление контактов между теплоотводящими элементами. На его значение влияют материал, чистота обработки поверхности, плот­ность соединения и ряд других факторов. Лучшие теплоотводящие материалы — медь и алюминий, их чаще всего применяют в кон­струкциях микроэлектронной аппаратуры. Очень нежелательно по­падание краски между контактирующими теплоотводящими элемен­тами, так как тепловое сопротивление контакта металл — краска очень велико и может превышать соответствующее значение для со­единения медь — алюминий в 250 раз.
Для уменьшения контактных тепловых сопротивлений применяют покрытия соединяемых металлов кадмием, оловом и теплопроводя-щими пастами. Снижение теплового сопротивления корпуса блока достигается использованием ребристой структуры и покрытием на­ружной поверхности краской с высокой степенью черноты.


Для улучшения теплоотвода с помощью конвекции платы с рас­ паянными на них микросхемами устанавливают в вертикальном по­ложении, между корпусами микросхем соседних ячеек делают зазо­ры (не менее 6 мм), а также перфорационные отверстия в кожухе блока. Если перечисленные способы не могут обеспечить заданного теплового режима, применяют принудительное воздушное охлажде­ние. Воздух подается или внутрь блока непосредственно к тепло-отводящим элементам или, при герметичных конструкциях, снару­жи — к стенкам корпуса. Наиболее нагретые части ячеек, как пра­вило, располагают ближе к началу охлаждающего потока. При на­личии теплопроводящих шин целесообразно ориентировать их по направлению движения воздуха. Контакт с конструктивными тепло­проводными элементами блока (рамка, кожух и т. п.) обычно осу­ществляют на входе в блок.
При использовании микросхем малого уровня интеграции чаще всего нет необходимости в учете тепловых режимов. При примене­нии же микросхем повышенной степени интеграции, как правило, следует принимать специальные меры по созданию теплоотвода. В подобных случаях проводят специальный тепловой расчет [45], при котором определяют допустимое число микросхем на платах, число плат, зазор между ячейками, расход охлаждающего воздуха, размеры теплоотводящих шин и т. п.

Содержание раздела

---

---