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

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.

1 2 3 4 55Т89Ю 23 30 40 Вф>

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=PV6, 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=цдб), 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.

a)е)

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 распаянными 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Интегральные микросхемы относятся к виду элементной базы РЭА, который развивается наиболее быстро. Приведем несколько основных направлений этого развития.

Во-первых, это расширение функционального состава тех серий микросхемы, которые получили наибольшее практическое применение- серий 100, 133 (155) 140 и других. Расширение ведется путем ведения в них более сложных узлов с лучшими парамерами, устройств согласования с индикационными приборами и т.