Модульный принцип конструирования

В радиоэлектронной аппаратуре модулем называют типовой функциональный узел, предназначенный для сборки в общую компоновку, имеющий габаритный и присоединительные размеры, обеспечивающие взаимозаменяемость модулей данного типа.

Модульная конструкция обеспечивает достаточную механическую прочность, электромагнитную экранировку и защиту от окружающей среды.

Конструктор решает, сколько функций должен выполнить модуль. Исходя из принципов миниатюризации и увеличения степени интеграции, топологию схемы модуля целесообразно выполнять на одной диэлектрической подложке. В таком многофункциональном модуле уменьшается число соединений отдельных узлов, что упрощает технологию изготовления и увеличивает надежность. Однако недостатками такого многофункционального модуля является:

- низкая преемственность разработок, поскольку возможности стандартизации в этом случае ограничены;

- испытание, настройка элементов схемы и выявления причин брака существенно осложняются из–за трудностей измерения параметров отдельных элементов, входящих в сложную интегральную схему (ИС) СВЧ;

- размещение на одной подложке большого числа элементов, что приводит к многочисленным паразитным связям, а из – за большой площадки подложки возрастают размеры корпуса, что увеличивает вероятность паразитных резонансов корпуса.

Для решений вышесказанных проблем часто используют компромиссный метод конструирования. Конструкция сложного интегрального модуля при этом представляет собой сборку из ряда функциональных модулей или отдельных плат, установленных в сменных отсеках корпуса, разделенных экранирующими конструкциями. Такое разделение модуля на отдельные узлы позволяет проводить испытание и наладку их перед сборкой. При этом возможны стандартизация отдельных узлов, используемых в схеме.

Корпуса модулей СВЧ

Корпус предназначен для предохранения интегральной схемы от воздействия окружающей среды, экранировки от внешних электромагнитных полей, теплоотвода, а также крепления подложки и других элементов схемы и т.д.

Конструкция корпуса представляет собой металлический короб. Его дно, крышки и стенки чаще всего имеют прямоугольную форму, что обусловлено конфигурацией стандартных подложек и удобством присоединения переходов. По типу конструкции корпуса подразделяют на рамочные, коробчатые, пенальные, пластинчатые.

Коробчатый корпус часто используется в экстремальных условиях, так как его легко изготовить фрезерованием, а наличие боковых стенок позволяет располагать на них коаксиальные переходы фланцевой и соосной конструкции. При серийном изготовлении можно использовать литье, штамповку, прессование из пластмассы и металлизацию гальвано – пластическим способом. Плата в корпусе крепится либо механическим прижимом ко дну с помощью винтов или других элементов, либо припайкой металлизированной экранированной стороны платы ко дну корпуса. Недостатки корпуса: сложность размещения навесных компонентов, сложность припайки платы ко дну корпуса и соответственно смены платы при ремонте.

Рамочные корпуса в основном используются в узлах, несимметричных или симметричных полосковых линиях, компланарных и щелевых линиях. Конструкция позволяет осуществить одно и двухъярусное расположение плат. Достоинство корпусов – в их технологичности, дешевизне, простоте сборки, удобстве расположения навесных компонентов с обеих сторон платы, относительной легкости смены платы при ремонте. К недостаткам относят довольно большую (по сравнению с другими типами) протяжность швов, которые необходимо герметизировать.

Конструкция пенального корпуса позволяет осуществлять одно и двухъярусное расположение плат. Корпуса удобны для серийного производства. Достоинство корпусов: возможность предварительного контроля и подстройки схем на НПЛ перед установкой в пенал, уменьшена длина шва, который необходимо герметизировать. Недостатки: возможность расположения СВЧ переходов только в двух стенках корпуса, сложность ремонтных работ, для проведения которых требуется разгерметизация шва и полная разборка корпуса.

Пластинчатые корпуса используют в устройствах на СПЛ. Существует много вариантов конструкции данного корпуса, отличающихся в основном материалами, используемыми для создания пластин (обкладок). Достоинства пластинчатых корпусов – в их конструктивной простоте, что упрощает их серийный выпуск и облегчает сборку и ремонт. Эта конструкция более предпочтительна для негерметизированных узлов. Недостатки: относительная сложность герметизации, зависимость работоспособности узла от равномерности прижима плат друг к другу, т.е. от качества механической сборки.

При выборе материала корпуса руководствуются требованиями уменьшения массы, снижения стоимости изготовления, соответствия температурного коэффициента линейного расширения материала корпуса и подложки, возможность пайки и хорошей теплопроводности и т.д. Для корпусов применяют латунь, сплавы алюминия, титан и др. Свойства материалов корпуса приведены в таблице 3.1 [1]:

Таблица 3.1 – Свойства материалов корпусов

Материал (ГОСТ)	Плотность,	КТЛР 11 (при 0 )
Титановый сплав ВТ 1-0 ГОСТ 1980 – 74 Титановый сплав ВТ 5-1 ГОСТ 19807 – 74 Алюминиевый сплав В-95 ГОСТ 4784-74 Алюминиевый сплав Ал-2 ГОСТ 2685-63 Медь М 1 Сплав 29НК (ковар) ГОСТ 10994-74 Латунь Л-63 ГОСТ 15527-70 Алюминиевый сплав Д-16 ГОСТ4784-74	4,52   4,52   2,85   2,65 8,94   8,20 8,43   2,78	8,2   8,3…8,9   24,0   21,1…23,3 16,6…17,1   4,0…5,2 20,6   22,0

Согласно технологическому заданию тип корпуса разрабатываемого модуля – коробчатый (чашечный). Плата устанавливается в корпус и крепится механическими пружинами ко дну с помощью винтов. Плата крепится металлизированной экранной стороной ко дну корпуса через термокомпенсирующие прокладки из металлической сетки, чтобы снизить напряжение, возникающие из–за материалов корпуса и подложек.

Максимальный размер корпуса приведен в исходных данных.

Плата модулей СВЧ

К платам предъявляют требования по внешнему виду, электрическим параметрам, устойчивости при климатических или механических воздействиях и надежности. По внешнему виду проводящий рисунок должен быть четким, без рваных краев, вздутий, отслоений, разрывов, темных пятен, загрязнений и окислов. На поверхностях проводящего рисунка не должно быть технологических повреждений и посторонних включений. элементы печатного контакта должны обеспечивать правильность монтажных соединений (соответствие технической документации, целостность электрических соединений, отсутствие коротких замыканий). Контактные площадки, металлизированные отверстия должны обладать способностью равномерно обрабатываться припоем при воздействии его на плату в течение 3с.

Печатные платы должны сохранить конструкцию, внешний вид и электрические параметры в пределах норм, а также соответствовать техническим условиям на изделие в рабочем режиме в течение гарантированного срока службы. Надежность печатных схем влияет на надежность модуля. Она проверяется в составе модуля и определяется минимальным значением вероятности безотказной работы.

Каждая плата имеет маркировку с указателем индекса или чертежного номера платы, а также дату изготовления и штамп ОТК о приемке.

Плата выполняет функцию основания, на котором формируются пленочные элементы.

В зависимости от назначения платы выбирают материал основания. Характеристики некоторых материалов, используемых для печатных полосковых плат, приведены в таблице 3.2 [2].

Для микрополосковых плат требуется материал, обладающий высокой (диэлектрической проницаемостью), малыми потерями, постоянством в широком диапазоне частот и температур, высокой степени чистоты, малой пористостью, высокой теплопроводностью, низкой стоимостью.

Таблица 3.2 – Электрофизические и механические характеристики материалов плат

Характеристики материала	Ситалл СТ50-1 ТХО.781 009ТУ	Ситалл СТ38-1 ТХО.781 002ТУ	Керамика «Поликор» ще 0,781 000ТУ	Кварцевое стекло (плавления) кварц	Сапфир	Брокерит -9
1. Класс частоты поверхности	13,0-14,0	13,0-14,0	12,0-14,0	14,0	14,0	8,0-10,0
2. Температурных коэффициент линейного расширения, х град при	47,0- 51,0	38,0	75,0-85,0	85,0	80,0	79,0
Характеристики материала	Ситалл СТ50-1 ТХО.781 009ТУ	Ситалл СТ38-1 ТХО.781 002ТУ	Керрами-ка «Поликор» ще 0,781 000ТУ	Кварцевое стекло (плавлен-ия) кварц	Сапфир	Брокерит -9
3. Теплопроводность, Вт/(м*к)	1,2	1,3	35,0	12,6	37,5	125,5
4. Температура размягчения,	620,0	-	1600,0	1500,0	1900,0	1900,0
5. Диэлектрическая проницаемость при частоте 10 Гц, и температуре 20	8,5	7,4	9,6	3,8	9,3-11,7	6,6
6. tg при частоте 10 Гц, и температуре 20	20,0	20,0	1,0	3,0	1,0	6,0
7. Электрическая прочность, кВ/мм	40,0	40,0	50,0	40,0	50,0	50,0
8. Удельное сопротивление, Ом*см	1,0-	-	1,0*	1,0*	1,0*	1,0*
9. Допустимое значение рассеиваемой мощности на единицу площади подложки, Вт/см	6,0	-	6,0	-	-	-

Керамика отличается высокой механической прочностью, твердостью, стабильностью размеров во времени и при воздействии технологических процессов изготовления полосковых схем. Керамические материалы допускают воздействия высокой температуры 1300 при технологических процессах, диапазон рабочих температур -60…+700 . Водопоглощение мало зависит от пористости керамики (0 для керамики «Поликор»). Наилучшими характеристиками обладают подложки из материалов. содержащих 98…100% окиси алюминия (): поликор (99,7%), сапфирит (98%) и др.

В полосковых схемах применяют керамику с повышенной диэлектрической проницаемостью (выше 10). Она используется в качестве подложки СВЧ – схемы с высокой степенью интеграции. Отличительное свойство имеют сесталлы: малая пористость, низкое водопоглощение (0,02%), низкая газопроницаемость, высокая термостойкость, малая теплопроводность, возможность получения подложки с высоким классом обработки поверхности. К недостаткам можно отнести малую теплопроводность по сравнению с керамическими материалами.

В разрабатываемом модуле платы выполняются на подложках из керамики «Поликор», характеристики которой приведены в таблице 3.2.

Для защиты материалов от атмосферных воздействий необходимы покрытия – золото с лицевой стороны, со стороны экрана – олово – висмут.