Унифицированные функциональные модули и микромодули

Увеличение сложности современной радиоэлектронной аппа­ратуры и повышение ее надежности при уменьшении размеров, объема и потребляемой мощности потребовали создания новых методов ее конструирования и производства.

В результате исследовательских работ конструкторами был раз­работан функционально-узловой метод конструирования, в основе которого лежит разделение сложной радиоэлектронной схемы на ряд простейших типовых схем, выполняющих функции закончен­ных узлов радиоаппаратуры (например, каскад усилителя, муль­тивибратор, триггер и др.). Дальнейшим развитием этого метода конструирования явилась унификация функциональных узлов элек­трических схем и их конструкций. Были созданы стандартизован­ные унифицированные функциональные узлы и блоки, наимень­шей конструктивной единицей которых является не отдельный радиоэлемент, а функциональный узел с определенными элект­рическими параметрами, или модуль.

Модулем называется конструктивно законченный элемент, который образует узел, изготовленный в едином технологичес­ком процессе и выполняющий определенную функцию электри­ческой схемы.

В настоящее время разработаны и серийно выпускаются уни­фицированные функциональные модули, имеющие плоскую или объемную конструкцию. Наибольшее распространение получили плоские модули (рис. 3.2).

В плоских модулях навесные радиодетали 1 расположены на од­ной стороне платы 3 и закреплены на специальных держателях или с помощью подгибки концов выводов деталей на плате. В объемных модулях детали расположены между платами. Для сборки отдель­ных модулей в узлы и блоки в платы запрессовывают штыри 4.

Блок аппаратуры, изготовленный из двух одинаковых унифи­цированных функциональных модулей 1, показан на рис. 3.3. Для проверки режимов работы модулей и узлов, собранных из них, платы имеют специальные контрольные гнезда 2.

Пайка модулей осуществляется автоматизированным спосо­бом — волной припоя или погружением в расплавленный припой. Для защиты модулей от воздействия внешней среды, а также для повышения механической прочности и надежности их покрыва­ют специальным лаком или заливают компаундами.

При использовании печатных плат с двусторонним монтажом плотность компоновки элементов повышается. В связи с тем что часть электрических соединений осуществляется внутри самого модуля, объем, занимаемый коммутацией, сокращается, что при­водит к упрощению сборочно-монтажных работ и, как следствие, к снижению требований к квалификации рабочих. Кроме того, значительно упрощаются регулировка и настройка аппаратуры,

так как модули, из которых состоит аппаратура, имеют стандар­тизованные входные и выходные электрические параметры.

Одинаковая стандартная форма модулей позволяет проводить широкую унификацию и стандартизацию конструктивных элемен­тов узлов и блоков аппаратуры. Собранные из этих модулей ячей­ки объединяют в функционально-законченные узлы и блоки. Уни­фицированные функциональные модули выпускаются централи­зованно крупными сериями. Производство модулей осуществля­ется на специальном оборудовании поточной линии.

Дальнейшее развитие модульного метода конструирования при­вело к созданию микромодулей.

Микромодуль — это функциональный узел радиоэлектронной аппаратуры, собранный из микроэлементов (субминиатюрных радиодеталей), объединенных в общую конструкцию, обеспечи­вающую его герметизацию и защиту от механических воздействий.

Микромодуль собирают с помощью уплотненного монтажа из субминиатюрных радиодеталей обычной формы. Наибольшее рас­пространение получили микромодули этажерочного типа, осно­вой конструкции которых является собранный в пакет (этажерку) и соединенный между со­бой с помощью пайки соеди­нительными проводниками набор микроэлементов и пе­ремычек на стандартных мик­роплатах.

На микроплатах (рис. 3.4) размещают как пассивные ра­диодетали (резисторы, кон­денсаторы, катушки индук­тивности, трансформаторы, фильтры), так и активные (ди­оды, транзисторы, фоторези­сторы), изготовленные в суб­миниатюрном исполнении. Для изготовления микроплат применяется радиокерамика (ультрафарфор, миналунд, стеатит).

Микроплаты обычно имеют в одном из углов прямоугольный вырез — ключ 1, служащий для ориентации микроэлементов по отношению друг к другу при их сборке в микромодуль. В каждой стороне микроплаты имеется по три металлизированных паза 2. Пазы облужены и служат для электрического и механического соединения микроэлементов микромодуля друг с другом. Высота микроэлементов может быть различной и указывается в справоч­ных данных на конкретный вид микроэлемента.

Рассмотрим кратко технологию изготовления отдельных ти­пов микроэлементов, методы их монтажа в микромодули, а так­же способы регулировки параметров микроэлементов в процес­се монтажа.

Микромодульные резисторы (микрорезисторы) изготовляются нанесением на микроплату тонких проводящих пленок углерода, металлов (с большим удельным сопротивлением) и металло-диэлектрических смесей (керметов). Для нанесения углеродистых пленок используется метод отложения соединений углерода в ат­мосфере водяного пара при высокой температуре. Требуемое зна­чение сопротивления обеспечивается путем изменения с помо­щью шлифовки геометрии и толщины пленки. Пленку из метал­лов наносят методом восстановления металла из раствора солей при их нагреве или методом напыления расплавленного металла через трафарет («маску») в специальных вакуумных установках. Эти методы позволяют получить микромодульные резисторы с сопротивлением от единиц ом до нескольких мегаом.

Промышленностью выпускается большая номенклатура мик­рорезисторов, в том числе пленочных (типа СКПМ), проволоч­ных (типа СП5-6), ниточных (типов СКНП и ССНМ) и терморе­зисторов (типов СТ2 и СТЗ).

Микромодульные конденсаторы изготовляются несколькими спо­собами. Наиболее широко используется нанесение различными методами на микроплату металлических и диэлектрических пле­нок. Для получения конденсаторов емкостью до нескольких десят­ков пикофарад применяются металлодиэлектрические пленки тол­щиной в несколько десятков микрон. Из них изготовляют много­слойные галеты, которые затем монтируют на микроплатах. При использовании в качестве пленки окиси тантала галетным спосо­бом можно получить танталовые конденсаторы с емкостью до 15,0 мкФ.

Для изготовления микромодульных конденсаторов широко ис­пользуется также вакуумное напыление диэлектриков на метал­лизированные подложки (микроплаты). В качестве таких диэлект­риков могут служить окись алюминия и окись кремния, а в каче­стве обкладок конденсаторов — металлизированные подложки из хрома, золота, меди и серебра. Промышленностью серийно вы­пускается большая номенклатура микромодульных конденсаторов как постоянной емкости типа КОПМ (конденсаторы окисно-по-лупроводниковые микромодульные), так и подстроечных. Конден­саторы КОПМ выпускаются с номинальной емкостью от 0,047 до 10,0 мкФ и с рабочим напряжением от 6 до 30 В.

Номенклатура транзисторов и диодов, применяемых в микро­модулях, достаточно широкая. Транзисторы устанавливаются на микроплату в специальном металлостеклянном корпусе. Диоды выпускаются двух типов в круглом металлостеклянном и табле­точном корпусах.

Радиоэлементы, которые не поддаются микроминиатюризации и не могут размещаться на стандартных микроплатах (например, конденсаторы большой емкости, трансформаторы, реле, пере­менные резисторы, катушки индуктивности), выпускаются в ма­логабаритном исполнении простой геометрической формы, при этом размеры их выбираются кратными стороне микромодуля.

Для сборки микроплат и микроэлементов в пакет микромоду­ля и их фиксации относительно друг друга применяют универ­сальные и специальные приспособления — сборники (гребенки) с пазами. Специальные сборники собирают из пластин различной толщины в соответствии со схемой сборки, толщиной микропла­ты и высотой микроэлемента. Микроэлементы вставляют в пазы сборника в ориентированном положении по ключу согласно схе­ме сборки. Расстояние между соседними микроэлементами долж­но быть не менее 0,2 мм и зависит от вида сборочного устройства и конструкции микромодуля.

Раскладка микроэлементов при изготовлении микромодулей является ответственной и трудоемкой работой. С целью значитель­ного снижения трудоемкости используются персональные компь­ютеры (ПК) и специальное технологическое оборудование. На раскладку одного модуля по технологической карте с помощью ПК затрачивается меньше 1 мин, причем полностью исключаются ошибки, которые могут быть допущены конструктором. Инфор­мацию, выдаваемую ПК в данном случае, используют в автома­тизированных устройствах сборки и контроля микромодулей. Пайка микромодулей может осуществляться вручную (рис. 3.5, а) спе­циальным малогабаритным паяльником (рис. 3.6) или с помощью специальных установок, состоящих из нагревательных элементов 1 (см. рис. 3.5, б) и понижающих трансформаторов 2.

Для обеспечения механической прочности конструкции и за­щиты микроэлементов от воздействия внешней среды микромо­дуль герметизируют, заливая эпоксидным компаундом ЭК-16Б в специальных формах.

В связи с тем что изготовленные микромодули не подлежат разборке и ремонту, необходимо в процессе их производства обя­зательно проводить пооперационный контроль, включающий в себя проверку электрических параметров микроэлементов перед сборкой микромодуля, а также проверку правильности сборки и монтажа микромодуля. Чаще всего такой контроль проводится ав­томатически на специальной поверочной аппаратуре. Кроме того, визуально, с помощью оптических приборов, необходимо прове­рять микроплаты на отсутствие трещин и сколов. Таким же обра­зом проверяются правильность расположения выводов микроэле­ментов и качество металлизации пазов.

После герметизации и контроля микромодули поступают на технологическую тренировку. Для выявления скрытых дефектов тренировка проводится с максимально допустимыми параметра­ми. После тренировки и проверки соответствия параметров тех­ническим условиям микромодули поступают на узловую сборку аппаратуры. Промышленность выпускает микромодули для теле­визионных и приемно-усилительных и передающих устройств, а также для ПК.

Микромодули устанавливают на плату с печатным монтажом, образуя микроблоки. Установка может быть сплошной (рис. 3.7, а) или через ряд (рис. 3.7, б). Обычно печатные платы имеют толщину от 1 до 2 мм в зависимости от механических нагрузок. В качестве материала используется низкочастотный фольгированный диэлек­трик НФД-180-1 или фольгированный стеклотекстолит СФ-1. Мик­ромодули крепятся на плате микроблока, для чего выводы пропус каются в отверстия, а затем пропаиваются волной припоя. Конст­рукции микроблоков с установкой микромодулей через ряд харак­теризуются хорошими плотностью компоновки, технологичностью и ремонтоспособностью. Такая компоновка при многоблочной кон­струкции обеспечивает наилучшее заполнение объема.

Для объединения микроблоков в субблоки (несколько блоков, расположенных на одной плате) используют объемный монтаж с различными соединительными разъемами. Несущие конструкции микроблока и субблока могут выполняться штамповкой, литьем и прессованием. На рис. 3.8 показана унифицированная конструк­ция каркаса субблока с установленными на нем микроблоками 1 и экранами 2.

Изготовленные микроблоки после проверки покрывают лаком для защиты от атмосферных воздействий. Части схемы, требую­щие экранировки, выделяют отдельно и экранируют общим экраном.