Конструкции функциональных ячеек микропроцессорных устройств

Ведущим направлением конструирования современной РЭА является комплексная микроминиатюризация (КММ). Основной задачей КММ является обеспечение высокой надежности, малых масс и объемов, повышенных эксплуатационных характеристик РЭА. Выполнение этих требований обуславливает необходимость применения БИС и СБИС, современных и перспективных конструкций РЭА. При конструировании РЭА широко применяется модульный принцип, под которым понимается совокупность различных методов (функционально-модульный, модульно-ячееч-ный и т. п.), в основе которых заложено общее требование: как расчленить электрическую схему на модули (функциональные ячейки и блоки), чтобы они были как функционально, так и конструктивно законченными. При этом их конструктивные размеры должны быть одинаковыми либо кратными одним базовым размерам, т. е. унифицированными. Таким образом, если конструкция РЭУ представляет собой блок или моноблок с общей герметизацией, то конструкция встроенного в этот блок МП У представляет одну или несколько функциональных ячеек (ФЯ).
Существенным ограничением применения МПУ в РЭА является реальный масштаб времени решения исходных задач. В § 2.2 показано, что выполнение этого требования возможно только при высоком быстродействии МП и других ИМС, входящих в МПУ.
Быстродействие цифровых ИМС прямо пропорционально потребляемой мощности. Это значит, что при повышении быстродействия ухудшаются тепловые режимы работы МПУ. В свою очередь, это может привести к изменению параметров и режимов работы комплектующих изделий относительно расчетных значений и в конечном счете к увеличению отказов. Для уменьшения теплонапряженности в блоках РЭА необходимы дополнительные меры по улучшению теплопередачи. Как известно, теплота передается от нагретого тела в среду путем конвекции и лучеиспускания. Внутри герметичного блока теплота передается, в основном, за счет теплопроводности.
Мощность (Р), рассеиваемая блоком, и перегрев блока v связаны прямо пропорциональной зависимостью P = crv, где а - коэффициент пропорциональности, представляющий собой величину, обратную термическому сопротивлению конструкции блока или ФЯ- Чем выше значение а блока, тем большую мощность он может рассеять при фиксированном перегреве. Значение а при передаче теплоты теплопроводностью пропорционально площади контактируемых поверхностей и коэффициенту теплопроводности материала. Для увеличения теплопроводности ФЯ вводятся металлические теплопроводящие шины, имеющие большое значение коэффициента теплопроводности. Они могут быть выполнены в виде значительных участков фольги на печатных платах, тонких металлических пластин, на которые устанавливаются бескорпусные микросхемы и .микросборки; металлических рамок с планками и т. п.
Применение металлических рамок или оснований (28] повышает теплопроводность не только в ФЯ, но и в пакете ячеек, а от него -к корпусу. Кроме того, использование рамок в конструкциях ФЯ значительно увеличивает ее собственную резонансную частоту, тем самым повышая вибропрочность конструкции ФЯ.

2.15. Установка микросхем на тепловые шины: 1 - рама; 2 - микросхема; 3 - печатная плата; 4 - тепловая шина; 5 - контактная площадка

2.16. Установка микросхем на тепловые основания: а - со штырьковыми выводами; б - с планарными выводами; 1 - металлическое основание; 2 - микросхема; 3 - плата

Толщина тепловых шин выбирается в пределах 0,4 - 0,8 мм, а металлических оснований 0,4 - 1,0 мм. Материал тепловых шин и оснований - обычно алюминий и его сплавы. Примеры установки микросхем и микросборок на тепловые шины и металлические основания показаны на рис. 2.15 и 2.16.
Для повышения теплопроводимости между ФЯ и блоком тепловой контакт между ними осуществляется через металлическое основание в единой конструкции с рамой ячейки путем пайки, сварки и склеивания мест соединения. Используются также заклепочные и винтовые соединения. При винтовых соединениях термическое сопротивление контакта уменьшается при повышении класса чистоты обрабатываемых поверхностей, повышении усилия сжатия и т. п. На рис. 2.17 показана конструкция теплового контакта ячейки с корпусом блока с помощью односкосного клина. Рассмотрим наиболее распространенные конструкции ФЯ (28].


2.17. Конструкция теплового контакта ячейки с корпусом блока с помощью односкосного клина:
1 - печатная плата; 2 - микросхема; 3 - рама; 4 - корпус блока; 5 - винт; 6 - клин

2.18. Жесткая рамочная конструкция функциональной ячейки:
1 - печатная плата; 2 - микросборка; 3 - рама; 4 - пустотелая заклепка; 5 - втулка

2.19. Конструкция paмы для использования в блоках с воздуховодом: 1 - П-образная металлическая пластина; 2 - воздуховод

2.20. Установка микросборок на металлическое основание:
1 - микросборка; 2 - проводник; 3 - металлическая пластина; 4 - печатная плата; 5 - контактная площадка печатной платы

На рис. 2.18 изображена жесткая рамочная конструкция ФЯ-Рамка этой ячейки выполнена совместно с теплоотводящими шинами. В качестве навесных компонент могут быть использованы корпусные микросхемы и микросборки. Это особенно важно, так как 30 - 50% общего числа микросхем МПУ составляют микросхемы малой и средней степени интеграции. Функциональные узлы из таких микросхем целесообразно выполнять в виде микросборок. Особенности конструкций различных микросборок и порядок их расчета подробно изложены в работах [27, 28]. Микросборки и корпусные БИС устанавливаются на теплопроводящие шины. Выходные контактные площадки микросборок с помощью перемычек соединяются с контактными площадками печатной платы, которая по периметру приклеивается к раме. Типоразмер печатной платы 170X200 мм. Электрическая коммутация ячеек осуществляется с помощью гибкого шлейфа. Благодаря высокой вибро-прочности конструкций таких ФЯ они нашли применение, в основном, в самолетной аппаратуре.

2.21. Конструкция функциональной ячейки с воздуховодом:
1 - металлическое основание; 2 - микросборка; 3 - воздуховод; 4 - контактные площадки печатной платы; 5 - печатная плата

На рис. 2.19 изображена конструкция рамы, предназначенной для использования в ФЯ блоков герметичной книжной конструкции с воздуховодом. Печатная плата устанавливается между стенками рамы. Контактирование между печатной платой и микросборками, устанавливаемыми на раме, осуществляется перемычками через прорези в раме (рис. 2.20). Обычно рамы выполняются из алюминиевых сплавов. Воздуховод крепится к металлическому основанию с помощью сварки и имеет приливы для крепления ячеек в блоке. Конструкция ФЯ с воздуховодом показана на рис. 2.21. Печатная плата ячейки крепится к раме пусто-телыми заклепками. Микрооборки приклеиваются к раме с двух сторон. Электрическая коммутация ячеек осуществляется с помощью гибкого шлейфа.
При конструировании ФЯ важным этапом является выбор типоразмера печатных плат. Для решения этой задачи применяется нормативно-техническая документация. Выбор необходимого типоразмера печатных плат зависит от вида аппаратуры, конструкции ячеек, условий эксплуатации аппаратуры. В [28] рекомендуют применять печатные платы размерами 170X75 и 170X200 мм.
Ниже будут показаны перспективные направления конструирования путем сокращения размеров элементов СБИС, а также площади ФЯ и заменой печатных плат микросборками, состоящими из бескорпусных СБИС и подложек. Это направление конструирования позволяет снизить потребляемую мощность и повысить быстродействие.

Также по теме: