Межъячеечный и межблочный монтаж

МЕЖЪЯЧЕЕЧНЫЙ  И МЕЖБЛОЧНЫЙ МОНТАЖ

1. Особенности крепления  элементов конструкций

ячеек и блоков

      Процессы  монтажа ячеек и блоков МЭА  по существу являются завершающими. Сущность их состоит в сборке функциональных узлов на уровне ячеек и микросборок, соединении их между собой и отдельными радиокомпонентами, входящими в состав блока. И, наконец, установка в общий корпус, который всегда герметизируется для случая применения бескорпусных ИМС.

      Наиболее  часто для крепления элементов  конструкций в ячейках и блоках используются методы (кроме механического  крепления) пайки и приклейки.

     Приклейка микросборок и других бескорпусных компоненте ячеек и блоков является достаточно критической операцией в тон смысле, что в случае достаточно интенсивного газовыделения из клеевого шва в замкнутом герметизированном объеме в температурном диапазоне эксплуатации становятся возможными физико-химические реакции продуктов газовыделения с пленочными элементами микросборок и с элементами полупроводникового кристалла; особенно нежелательным является наличие в продуктах газовыделения таких агрессивных компонентов, как атомы хлора, фтора, молекулы водорода, воды. Наиболее коррозионно-опасными веществами по отношению к металлам являются также муравьиная и уксусная кислоты, формальдегид, фенол, аммиак. В условиях замкнутого объема газообразные продукты старения полимерных и лакокрасочных материалов в сочетании с остаточной влагой оказывают разрушающее воздействие на металлы и гальванопокрытие, влияют на надежность и работоспособность отдельных элементов и узлов изделий. В табл. 1.1 приводятся данные анализа водных вытяжек некоторых полимерных материалов, применяемых для монтажа ячеек и блоков, МЭА (водные вытяжки получали путем кипячения 100 мг материала в 100.мл воды). Как видно из таблицы, применение таких материалов, как эмаль МЛ-165, полиамид П-68, гетинакс, в герметизированном объеме блоков ответственной аппаратуры явно нецелесообразно.

     Таблица 1.1

     В табл. 1.2 сведены данные по технологическим и эксплуатационным характеристикам клеев, применяющихся для монтажа ячеек и блоко^ МЭА. Как видно из этого перечня, для приклейки нецелесообразно использовать материалы типа мастики ЛН, которая при +85°С и повышенном содержании влажности достаточно интенсивно выделяет молекулы НС1 и атомы С1. Наличие этих химических веществ в газообразном состоянии в условиях замкнутого герметизированного объема приводит ( при определенном количестве мастики в блоке) к обрывам и даже исчезновению тонкопленочных резисторов, увеличению обратных токов' коллектор» ных переходов, снижению коэффициента усиления МДП-транзисторов и даже к отслоению тонкопленочных шин коммутации при условии, что их ширина составляет менее 40—50 мкм (например, микрополосковых линий микросборок СВЧ диапазона). Эти данные подтверждаются сведениями о газовыделении из некоторых органических

     Таблица 1.2

     лаков и компаундов при повышенной температуре  (+ 85 и +125°С).

     Полученные  усредненные данные для применяемых  клеев приведены в табл.,1.3,

      Таблица 1.3

     Важным, однако, является не только количество продуктов газовыделения, но и их состав. Преимущественным компонентом в составе газов, выделяющихся в процессе эксплуатации, является вода, кроме того, имеются следы СО², СО и простейших углеводородов. В то же время при газовыделении мастики ЛН (в отличие от двух других исследованных материалов) масс-спектрометр четко фиксирует содержание НС1 и С1 (до 2—5%), а также следы фтора. Как видно из табл. 1.3, долгое пребывание в атмосфере после сушки клеев и компаундов нецелесообразно. Обычно либо ограничивают время пребывания собранных бескорпусных микросборок, ячеек и блоков МЭА даже в условиях гермозоны (они могут храниться неопределенно долгое время в шкафах с защитной атмосферой), либо перед герметизацией подвергают их повторной термообработке, сушке. Для иллюстрации этого положения приведем данные о газовыделении микросборок на подложке из поликора размером 24X30 мм в зависимости от времени пребывания в гермозоне после монтажа на них 16 кристаллов размером 2X2 мм (табл. 1.4).

      Таблица 1.4

Одной из причин возможных изменений свойств  элементов схемы в герметичном блоке является наличие остатков растворителей, применяемых для отмывки деталей блоков, а также входящих в состав лаков, эмалей и других компаундов. При этом часто в технологии используется смесь растворителей, как легколетучих (ацетон, бензол, этиловый спирт), так и труднолетучих (ксилол, циклогексанон), табл. 1.5. Взаимодействие с парами растворителя приводит к набуханию защитных органических покрытий, химическим реакциям, продукты которых могут быть весьма агрессивными. Чтобы избежать этого, перед герметизацией блоков проводится их тщательная сушка. Затруднительным является в этом случае только то, что температура сушки ограничена темпера турой ИМС других полупроводниковых приборов +(70÷85) °C. Поэтому сушка при таких температурах длится до 48 ч, а ее интенсификация возможна в условиях глубокого вакуума.

      Таблица 1.5

2. Межъячеечная и  межблочная коммутация

     При разработке ЦАА в основном применяются следующие конструктивные приемы выполнения межъячеечной коммутации: проводной монтаж с помощью гибкой матрицы (ремня); шлейфовый монтаж; монтаж плоскими кабелями.

     Метод электромонтажа с помощью гибкой резиновой матрицы (ремня) выполняется  облегченными проводами типа МГТФ, ГФ, ГФ100М и др. Провода по 20—30 шт. объединяются в жгуты и прошиваются  в отверстия резиновой матрицы. Резиновая матрица одновременно является конструкционным несущим  элементом для закрепления на нем проводов и ячеек и обеспечивает разворот ячеек при распайке проводов. Объем, занимаемый проводным монтажом, занимает 7—12% от общего объема блока. Трудоемкость монтажа проводом значительна, в основном она затрачивается на прошивку резиновой матрицы проводами и распайку на контактные площадки ячеек и выходных соединителей.

Для снижения трудоемкости выпуска конструкторской  документации таблиц соединений обычно применяются автоматизированные системы по формированию и раскладке проводов в жгуты в гибкой матрице. Достоинством проводного монтажа является легкая доступность и возможность ремонта при изменении схемы соединений на этапе регулировки аппаратуры.

     Свойство  гибких печатных плат (ГПП) работать на перегибы позволило разработчикам  ЦАА использовать их как соединительные шлейфы в подвижных частях аппаратуры для развертывания ячеек ЦАА, сложенных при сборке изделий в гармошку, книжку или свернутых в рулон. Гибкие шлейфы в качестве элементов межблочной, внутриблочной коммутации не только обеспечивают уменьшение объема и массы аппаратуры, но и исключают субъективные ошибки, возможные при объемном монтаже; позволяют автоматизировать процессы изготовления и сборки; обеспечивают снижение трудозатрат изготовления и сборки, что влечет за собой снижение стоимости аппаратуры. Они хорошо противостоят механическим воздействиям — ударам и вибрациям, так как имеют малую толщину и сравнительно небольшую плотность.

     Для изготовления ГПП используется в  качестве основы лавсан, фторопласт или  полиимид. Полиимид — наиболее приемлемый полимерный материал, который выдерживает температуры присоединения выводов ГПП свыше 230°С. Полиимид обладает и хорошими механическими характеристиками: гибкие шлейфы из него могут выдерживать многократные перегибы (до 10000) с радиусом до 0,5—1 мм. Для изготовления ГПП используются два метода— субтрактивный и полуаддитивный. Субтрактивный метод аналогичен тем, которые широко применяются в производстве печатных плат. При этом исходная основа — фольгированный диэлектрик (чаще всего двухслойный). Полуаддитивный метод аналогичен методу изготовления двухслойных полиимидных плат. Это означает, что такие ГПП можно не только изготавливать двухсторонними, но и соединять оба уровня коммутации между собой через металлизированные отверстия. Естественно, ГПП, изготовленные по субтрактивной технологии, будут иметь плотность рисунка, соответствующую этому методу, не более 1—1,3 линий/мм; двухсторонние шлейфы имеют плотность 3—4 линии/мм.

     Соединение  ГПП с жесткими печатными платами  или с соединителями осуществляется контактной пайкой балочных выводов к контактным площадкам плат. Балочный вывод шлейфа может располагаться в окне пленки, которое при изготовлении получают методом травления. Шлейфы в зависимости от выполняемого назначения в составе ЦАА подразделяются по конструкции на два типа: статические, подвергаемые небольшому числу перегибов; динамические, подвергаемые многократным перегибам. Статические шлейфы для внутрибалочной коммутации подвергают формированию или складыванию лишь во время монтажа устройств (ячеек), они допускают минимальный радиус изгиба (0,5 мм и даже менее). Допустимый радиус изгиба в области упругой деформации

      ,      (1.1)

где — допустимая относительная деформация (в области упругой деформации) для слоя металлизации ориентировочно принимается равным 0,002; — координата нейтральной линии; , и — соответственно толщина слоя меди, защитного покрытия (Sn — Bi) и полиимида.

     Если  допустить изменение линейных размеров проводников в области пластической деформации, то при определении допустимого радиуса изгиба в области пластической деформации в формуле вместо ( ) для олова и меди должны быть подставлены значения допустимой относительной деформации в области пластической деформации ( ), равные для меди ( ) 0,015, а для применяемого сплава олово — висмут 0,02.

     Как видно из (1.1), устойчивость шлейфов к перегибам довольно сильно зависит от соотношения толщин слоев в структуре. Необходимо отметить, что в реальной конструкции задача расчета напряжений и деформаций усложняется, так как форма шлейфа при изгибе только в очень редких случаях приближается к радиальной и непрерывно меняется. В реальных условиях возможны и перекосы шлейфов.

     Для повышения устойчивости шлейфов  к перегибам производится нанесение защитного покрытия на слои проводников в виде полиимидной пленки с   фторопластовым  покрытием   типа  ПМФ или нанесение на наружные поверхности полиимидных лаков толщиной 20—30 мкм с последующей имидизацией; создание рисунка ГПП производится таким образом, чтобы находящиеся в зона перегиба проводники располагались на одной стороне шлейфа или на двух сторонах с ортогональной разводкой.

     Использование ГПП позволяет снизить массу  внутриячеечной межблочной коммутации в 5—10 раз. В табл. 1.6 приведены характеристики некоторых видов гибких шлейфов. Отметим, что стойкость шлейфов  к перегибам значительно зависит  от радиуса перегиба и ширины проводников. Для незащищенных шлейфов при  ширине проводников 100 мкм допустимое число перегибов при ра- Таблица 1.6

диусе 0,5—1 мм и угле перегиба 180° составляет 200—250. При увеличении ширины проводников  от 100 до 400 мкм стойкость к перегибам  увеличивается в 2—3 раза; при дальнейшем увеличении ширины проводников она  остается приблизительно постоянной. Защищенные шлейфы с шириной проводников 100—200 мкм и радиусе перегиба 5—9 мм выдерживают более 10000 перегибов.

В заключение заметим, что для монтажа блоков на печатных платах, особенно в опытном и мелкосерийном производстве, широко применяется проводной монтаж печатных плат накруткой; однако и этот традиционный метод монтажа претерпевает неизбежную микроминиатюризацию, вызванную появлением ИМС.

В высоконадежном методе монтажа накруткой автоматическая или полуавтоматическая монтажная головка накручивает провод, диаметром 0,25 мм на стержни квадратного сечения, расположенные с шагом 2,54 мм. Но с появлением БИС и СБИС, собранных в микрокорпусы, в которых шаг между входными — выходными контактами равен 1,27 мм, уже используется проволока диаметром 0,16 мм, которая накручивается на штырьки размером 0,3X03, мм, установленные с шагом 1,25X1,25 мм. В этом варианте можно накручивать провода с более высокой плотностью, чем в прежнем, но при этом сохраняются особо надежные газонепроницаемые соединения.

     Гибкие  пленочные коммутационные платы  начинают широко распространяться и  для монтажа устройств СВЧ  диапазона. Однако в этом случае к материалу диэлектрика предъявляются дополнительные требования: он должен обладать минимальными диэлектрическими потерями в области СВЧ и иметь е>2,5. В табл. 1.7 сведены электрические свойства некоторых органических материалов, применяемых для гибких СВЧ плат.

     Таблица 1.7

     Легко видеть, что все указанные в  таблице материалы имеют малое  значение диэлектрической проницаемости. Для того чтобы увеличить ε применяют композиционные материалы — смесь органической основы с порошком неорганических СВЧ материалов, имеющих высокое значение б (материалы типа Duroid 6010 с ε=10,5±0,26, Epsilam-10 с ε=10 и др.). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Формообразование  конструкционных  элементов

      Вопросы формообразования конструкционных  элементов имеют весьма важное значение в технологии монтажа МЭА ввиду того, что требования к таким изделиям, как видим, весьма жесткие — они должны обладать достаточной механической прочностью, высоким значением теплопроводности и в, то же время быть легкими и обладать необходимой газонепроницаемостью. Кроме того, следует учитывать технологический фактор — материалы не должны быть критичны к условиям различных методов формообразования(при всей сложности и большой номенклатуре конструкций блоков и узлов МЭА). Этим требованиям лучше всего удовлетворяют магниевые, магниево-литиевые и алюминиевые сплавы типа АМГ или АМЦ. В отдельных случаях  применяют пластмассы, поверхность которых иногда металлизируют (полностью или частично). 
Металлоемкость конструкций МЭА еще высока и составляет от 20 до 50% всей массы. Необходимыми условиями внедрения прогрессивных методов формообразования является унификация, типизация, стандартизация конструкционных элементов и технологии их изготовления. В этом случае даже при сравнительно небольшой серийности отдельных устройств МЭА экономически целесообразно использовать    в производстве методы:    литье под давлением, тонколистовая штамповка и сварка, метод порошковой металлургии.

      Большинство металлических конструкций МЭА  еще выполняется фрезерованием с использованием станков с программным управлением. При этом применяют последовательное, параллельно-последовательное фрезерование и фрезерование на поворотных столах. Для тонкого фрезерования плоских поверхностей деталей применяют и фрезы, оснащенные алмазными резцами.

      Литье под давлением    является наиболее    производительным технологическим  процессом для производства тонкостенных корпусов сложной формы из алюминиевых  и магниевых сплавов. Минимальная  толщина стенок   отливок составляет   0,5 мм, оптимальная — 1—3 мм   (при тонкостенном литье не только уменьшается металлоемкость конструкционных изделий, но и увеличивается скорость кристаллизации сплава, создается равномерная мелкозернистая структура, повышаются механические свойства отливок). Литье под давлением обеспечивает и наименьшие диаметры отверстий, получаемых различными методами литья (до 1 мм). Сплавы для литья под давлением должны обладать достаточной прочностью при высоких температурах (отливка не должна ломаться при выталкивании), минимальной усадкой, высокой жидкотекучестью при небольшом   перегреве и небольшим   интервалом температур кристаллизации. Этим требованиям удовлетворяют алюминиевые (АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛИ, АЛ28 и АЛ32) и магниевые (МЛ5 и МЛ6) сплавы, латунь (ЛС59-1Л и ЛК80-ЗЛ). Точность размеров отливок и шероховатость поверхности зависят от качества обработок пресс-форм. Основные детали пресс-форм, соприкасающиеся с расплавленным металлом, изготавливают   из высоколегированных сталей (ЗХ2В8Ф, 4X5 МФС, 5ХВ2В) и обрабатывают по 8—10 квалитету точности (Ра=1,25—0,32 мкм).

      Вакуумирование  пресс-формы и камеры прессования  позволяет повышать качество отливок: увеличивается (в 1,5—2 раза) относительное удлинение и ударная вязкость, имеется возможность уменьшить толщину стенок на 30—40%, улучшается качество поверхности.

      Большое распространение при изготовлении ряда конструктивных элементов МЭА получили методы штамповки, особенно листовых заготовок. При этом достигается эффект получения достаточно легких, прочных и жестких конструкций деталей при небольшом расходе материала, большая производительность и низкая стоимость деталей, взаимозаменяемость деталей вследствие их большой точности и единообразия, благоприятные условия для механизации и автоматизации операций и создания автоматических линий и участков. При холодной обработке давлением (холодная штамповка) в металле протекает процесс пластической деформации, вызывающей изменение не только формы и размера заготовки, но и физико-механических и даже химических свойств металла. С увеличением степени деформации возрастают предел прочности и твердость, снижаются пластические характеристики (относительное удлинение, ударная вязкость), увеличивается электрическое сопротивление, понижаются стойкость к коррозии и теплопроводность. Горячая обработка давлением (горячая штамповка) обычно происходит при температурах, значительно превышающих температуру рекристаллизации, поэтому кроме указанных процессов (наклеп металлов) происходит и его разупрочнение (снятие наклепа). Снятие наклепа, сопровождающееся снятием внутренних напряжений, характерно и для процессов отжига деталей, изготовленных холодной штамповкой при последующем отжиге в диапазоне температур, превышающих температуру рекристаллизации.

      Диапазон  размеров штампуемых деталей очень  большой — по длине и ширине от одного миллиметра до 6—7 мм, по толщине — от десятых долей миллиметра до 100 мм, шероховатость поверхности среза достигается по всей толщине R_z = 3,2—1,6 мкм точностью 6—9 квалитета.

      Применение  листовой штамповки связано с  изготовлением сравнительно трудоемкой и материалоемкой оснастки, поэтому в мелкосерийном и опытном производстве штамповка обычных конструкций невыгодна. Обычно в таких случаях применяют поэлементную штамповку или комплект универсальных штампов.

      В условиях массового производства исключительно  эффективна порошковая металлургия — метод изготовления деталей из металлических порошков и их смесей с неметаллическими материалами без расплавления основного компонента. Вначале производят прессование порошка при нормальной температуре в стальных пресс-формах для придания требуемой формы и размеров изделию, а затем заготовки спекают в защитной атмосфере. Механические свойства изделий из порошков близки по свойствам к свойствам литых деталей, причем по отдельным параметрам показатели выше, например для алюминия δ_b = 300—400 МПа (30— 40кгс/мм2) по сравнению с 180—200 МПа (18—20кгс/мм2); H_b = 80—90 (40—50); δ = 8—12% (10—12%), сравнение проведено для литых заготовок. Насыпная масса алюминиевых порошков (ее постоянство определяет стабильность усадки при спекании) составляет 0,7—0,8 г/см³.