2.4. Микроминиатюризация радиоэлектронной

аппаратуры

Одной из основных тенденций при создании современной радиоэлектронной аппаратура и ее элементов является стремление к уменьшению ее веса и размеров с одновременным повышением надежности.

Работы в этой области получили широкий размах благодаря тому, что развитие новых отраслей науки и техники, таких как ракетная техника, космонавтика, вычислительная техника, кибернетика, бионика и др., связано с применением исключительно сложного электронного оборудования. Изыскание путей значительного уменьшения габарита и веса привело, в свою очередь, к развитию новых направлений в конструировании и технологии изготовления радиоэлектронной аппаратуры, объединенных общим названием микроминиатюризация.

Несмотря на то что в большинстве случаев надежность отдельных элементов удовлетворяет самым высоким требованиям, вероятность выхода из строя сложной системы слишком велика. Микроминиатюризация возможно позволяет еще больше повысить надежность аппаратуры в целом и в то же время снизить ее стоимость, так как производство микроминиатюрных элементов проще автоматизировать.

В Советском Союзе и за рубежом интенсивно разрабатываются теория, методика расчета, способы конструирования и технологические процессы производства электро- и радиоэлементов, узлов, блоков и надежных радиоэлектронных систем на базе микроминиатюризации.

Идея максимального уменьшения объема и веса радиоэлектронной аппаратуры появилась одновременно с возникновением электроники. Однако до последних лет решение этой задачи хотя и являлось желательным, но не было остро необходимым. По мере усложнения электронного оборудования ракет, искусственных спутников земли и т. д., свободный объем в которых крайне ограничен и каждый килограмм дополнительного веса требует значительного увеличения внешних размеров и повышенного расхода горючего, а также увеличивает риск выхода из строя элементов и различных соединений приборов и систем в целом, уменьшение объема и веса радиоэлектронной аппаратуры приобрело решающее значение. Так, например, каждый дополнительный килограмм оборудования вызывает увеличение взлетного веса самолета на 10—20 кг, а веса ракеты-носителя спутника — на 100 кг.

Рост числа электро- и радиоэлементов в радиоэлектронных устройствах

На рисунке показан рост числа элементов, входящих в электронную аппаратуру. Если в 1920 г. в конструкцию телефонного усилителя на линии связи входило всего около 10 элементов, то в 1930 г. для радиосвязи между двумя стационарными пунктами требовалось уже 200 элементов, в том числе 20 ламп. Электронное оборудование американского бомбардировщика типа Б-17 производства 1942 г., состоящее почти исключительно из приборов радиосвязи и обеспечения посадки, насчитывало 2 000 элементов и весило 30 кг при объеме в 40 дм³. Число элементов в аппаратуре бомбардировщика Б-47, введенного в строй через 10 лет, возросло примерно и 10 раз. Аппаратура современного бомбардировщика содержит от 130 до 150 тыс. электронных элементов. Если бы она состояла из обычных элементов, то заняла бы объем около 3 м³, а ее вес превысил бы 2 т.

Вначале стремление к уменьшению размеров электронных элементов было связано с их удешевлением: миниатюризация сводилась к чисто механическому уменьшению размеров и соответствующему пересчету электрических параметров, основной же Принцип действия элементов не изменялся.

В настоящее время снижение стоимости элементов (например, и поенной авиационной и ракетной технике) имеет второстепенное значение по сравнению с задачей уменьшения их габарита. Миниатюризация и микроминиатюризация приобрели самостоятельное значение. Высокая стоимость приборов часто окупается сниженном расхода материалов, уменьшением их веса и площади, занимаемой оборудованием. Например, цифровые вычислительные машины, построенные на основе обычных конструктивных элементов, занимают целые залы и имеют огромный вес. Кроме того, большие размеры таких систем ухудшают их функционирование. Коммуникации оказываются настолько длинными, что запаздывание, вносимое ими, ограничивает быстродействие системы, так как становится сравнимым с временем срабатывания активных элементов.

Уменьшение размеров электронной аппаратуры может быть достигнуто сокращением числа составляющих элементов схемы, уменьшением габаритных размеров отдельных элементов и уплотнением их монтажа. Число элементов определяется принципиальной схемой, однако часто одна и та же функция может быть осуществлена с помощью схем с различными конструктивными элементами. Для миниатюризации аппаратуры следует выбирать схему, имеющую минимальное число элементов с наименьшими габаритами. Но бывает и так, что схема, состоящая из большего числа элементов, имеет меньшие габариты. Уменьшение числа элементов выгодно также с точки зрения снижения помех.

Плотный монтаж элементов электронного прибора усложняет задачу теплоотвода и охлаждения. Именно из-за трудности охлаждения невозможно существенно уменьшить габариты вакуумной электронной аппаратуры.

Изготовление малогабаритных элементов связано с наличием материалов. Размеры и вес электронного оборудования и его элементов зависят от физико-механических характеристик применяемых веществ и материалов. Например, размеры катушки индуктивности обратно пропорциональны величине магнитной проницаемости магнитопровода; размеры конденсатора данной емкости зависят от материала, применяемого в качестве диэлектрика; из материалов с большим удельным сопротивлением изготовляют резисторы меньших габаритов и т. д. Однако имеется предел, устанавливаемый необходимой площадью теплоотдачи при данной мощности рассеивания. Для эксплуатации радиоаппарата при повышенных температурах требуются материалы с более высокой теплостойкостью и постоянством свойств в широком температурном диапазоне. Современные успехи и дальнейшее развитие миниатюризации основываются на отборе и совершенствовании некоторых свойств известных материалов, а также на применении материалов с новыми свойствами.

Изготовление миниатюрных радиоприборов и радиодеталей невозможно без разработки соответствующей технологии. Основными методами изготовления миниатюрных элементов являются методы топкой пленочной технологии и точной механики. Массовое и сравнительно недорогое производство миниатюрных элементов с высокой точностью и стабильностью параметров невозможно без высокого уровня автоматизации.

Миниатюризация радиодеталей в результате применения новых материалов и разработки новой технологии иллюстрируется следующими примерами. Десятилетиями конденсаторы изготовляли в виде рулона из бумажной полосы и металлической фольги. Толщина бумаги и фольги определялись заданной емкостью и рабочим напряжением, а также электрической и механической прочностью изделия. Замена металлической фольги металлизированным слоем, который наносится на бумагу методом распыления, позволила в 2 раза уменьшить размеры конденсаторов, а применение тонких синтетических пленок, обладающих лучшими, чем бумага, электрическими характеристиками, привело к уменьшению этих размеров еще в 2 раза.

Современные керамические массы имеют диэлектрическую постоянную до 10 000. Благодаря этому не только уменьшились размеры конденсаторов, но и значительно упростилась их конструкция. Новые конденсаторы представляют собой керамическую шайбу, на обе поверхности которой нанесены слои металла. Изготовление таких конденсаторов легко автоматизировать.

Первым шагом области миниатюризации было последовательное применение миниатюрных элементов " печатного монтажа. Это позволило уменьшить габаритные размеры аппаратуры примерно в 7—10 раз.

Первоначально печатные схемы применялись с целью автоматизации монтажа. Однако оказалось, что этот метод одновременно ведет и к уменьшению габаритных размеров радиоприборов, поэтому стали исследовать возможность изготовления самих элементов электронных схем печатным способом. Применение техники печатных схем позволило довести плотность монтажа до 1 760 деталей в 1 дм³ по сравнению с плотностью 285 деталей в 1 дм³ в аппаратуре, смонтированной вручную.

Однако далее при наиболее тщательной разработке конструкций с применением миниатюрных элементов полезное использование объема составляло всего около 30%.

В начале 50-х годов в США была разработана конструкция сборных блоков (проект «Тинкертой»). Блоки представляли собой керамические галеты стандартных размеров, на которых монтировались детали. Размеры галет определялись габаритами миниатюрной электронной лампы, так что и миниатюризация здесь уже не являлась самоцелью.

Еще одним видом миниатюризации является изготовление сварных модулей, в которых элементы сваривают друг с другом и для повышения механической прочности заливают расплавленной смолой. Замена испорченной детали в таких блоках невозможна, необходимо менять весь блок (модуль). По этой причине и виде модулей изготовляют лишь простейшие схемы или такие схемы, где выход из строя отдельных элементов практически исключается.

Решающим фактором для развития миниатюризации явилось внедрение полупроводниковых приборов. Транзистор занимает лишь малую часть объема электронной лампы с соответствующими коэффициентами усиления и мощности. В транзисторе отсутствует накал и большинстве схем в режиме холостого хода транзистор не расходует энергии. Элементы схем на транзисторах рассеивают меньшую мощность, поэтому могут быть уменьшены их номинальное значение мощности в размеры (это относится прежде всего к резисторам). Транзисторы работают при низком уровне напряжения, что позволяет уменьшить размеры элементов при той же электрической прочности и значительно упростить схему питания.

Миниатюризация радиоаппаратуры преследует разработку технологии более плотного монтажа существующих элементов и миниатюризацию самих элементов, как пассивных, так и активных, а также носящих вспомогательный характер. Решение этих вопросов зависит прежде всего от улучшения параметров существующих и получения новых материалов, способных удовлетворять современным требованиям.

Радиоэлектронную аппаратуру обычно защищают от воздействия окружающей среды различными средствами. Применение тяжелых герметичных конструкций увеличивает вес и Объем оборудования; кроме того, необходимость искусственного охлаждения герметизированного оборудования усложняет его конструкцию. По этим причинам необходимо конструировать аппаратуру на базе таких элементов, которые способны были бы выдержать воздействие внешней среды при сравнительно малоэффективных средствах защиты. Особые возможности открывает здесь применение термостойких материалов.

Наблюдения за радиоэлектронной аппаратурой, установленной на искусственных спутниках Земли, позволили получить сведения о воздействии озона, вакуума, радиации, перепадов температуры, микрометеоритов.

Срок службы элементов радиоприборов в поясах радиации не превышает нескольких дней. Но так как фактически время пребывания спутника в зоне высокой радиации мало, то она не оказывает ощутимого влияния на параметры элементов. Незначительными окапались и последствия столкновения с микрометеоритами.

Многие материалы, особенно инертные, нечувствительны к радиации, но сравнительно немногие (главным образом, металлы и неорганические соединения) могут выдержать одновременное воздействие радиации и высокой температуры. Некоторые металлы, широко применяемые при изготовлении радиоэлектронной аппаратуры (алюминий, медь, германий, кремний, серебро, магний), в условиях повышенной радиации образуют радиоактивные изотопы с коротким периодом полураспада. Радиация энергично воздействует на большинство органических материалов — полупроводники, стекло с примесями бора или свинца, тогда как конденсаторы с неорганическими диэлектриками, металлические резисторы и некоторые магнитные материалы нечувствительны к ней.

При интенсивном нагреве применяют специальные меры защиты проводников. Поскольку оловянные покрытия не выдерживают высокой температуры, а медь окисляется при температуре 250° С, медные проводники следует плакировать или наносить на них гальванические покрытия для сохранения достаточной электропроводности. Хорошие результаты дает плакирование серебром и никелем. Серебро пригодно для применения при температурах до 500° С. Проводники в аппаратуре, работающей в условиях высоких температур (до 500° С), можно соединять пайкой серебряным припоем или сваркой. При этом используют выводные клеммы из серебра, никеля или нержавеющей стали, к которым припаивают проводники из серебра, алюминия или проводники из других металлов, плакированные никелем.

При сверхвысоких температурах хорошими потенциальными проводниками электрического тока являются некоторые керамические материалы.

Пружинящие контакты ни бериллиевой и фосфористой бронзы при высоких температурах теряют упругость, поэтому их выполняют из никелевого сплава п нержавеющей стали. Для плакирования или гальванического покрытия контактов используются благородные металлы и их окислы, а также рений.

При изготовлении микроминиатюрной аппаратуры, работающей в условиях радиации, очень существенно, какими методами выполнен электромонтаж.

В аппаратуре, работающей в условиях радиоактивного излучения, при низкой температуре, для мягкой пайки проводников используют сплавы олова со свинцом, при высоких температурах — мягкие и твердые серебряные припои. В ряде случаев соединение осуществляют сваркой. Алюминиевые проводники перед самой пайкой погружают в раствор хлористой меди, а для пайки используют цинковый припой или сплавы цинка, кадмия и серебра. Для удаления окисла и нанесения медного электролитического покрытия на очищенную поверхность проводника применяют химические методы.

Высокотемпературные спаи металла с керамикой получают путем вжигания окислов в поверхность керамики, последующей электролитической металлизации и пайки в вакууме. Для переходных соединительных швов используют омедненные или никелированные сплавы молибдена с марганцем, меди с титаном, меди с цирконием и никеля с титаном. Для устройств, рабочие температуры которых не более 500° С, спаи получают с помощью огнеупорных цементов, стекла или уплотняющих прокладок из сплавов различных металлов. Сплав свинца, меди и титана и другие припои выдерживают температуру до 300° С. Герметичные трубки с покрытием из мягких металлов позволяют получить уплотнение, которое обеспечивает хорошую прочность соединения при температуре до 400° С. Соединение деталей устройств с более низкими рабочими температурим и можно получить с помощью* цементирующих материалов на основе пластмасс и эластомеров.

Для изготовления резисторов, помимо углерода и карбида кальция, из высокотемпературных материалов используют сплав сурьми с родием или оловом и различные сочетания благородных металлов. Металлы наносят электролитическим способом на керамику пли стекло, наматывают (при использовании в виде гибкого проводника) или используют в виде пленок хлоридов, нитридов, силицидов пли окислов, Величина омического сопротивления хромо-кремниевых пленок с рабочей температурой 250°С при кратковременном повышении ее до 750° С изменяется лишь на несколько процентов. Платиновые пленки имеют линейный температурный коэффициент сопротивления и диапазоне 28—500° С. Пленочные термисторы из карбида бора сохраняют высокую устойчивость при температуре 750° С, но растрескиваются при периодическом изменении температуры в пределах от 200 до 300° С.

Па характеристики большинства ферритов радиация не оказывает существенного влияния, но чтобы противостоять нагреву, обусловленному гамма-излучением, нужна высокая температура, соответствующая точке Кюри. Это вызвано тем, что ферритовые материалы, используемые в виде стержней относительно больших размеров, подвержены воздействию теплового удара, и их коэффициенты расширении имеют резко мы выраженный максимум, приблизительно совпадающий с температурой точки Кюри. Ферриты с температурами точки Кюри выше 500° С могут быть использованы при температуре около 2.^г)()" С.

Под воздействием радиации изменяются характеристики некоторых магнитных материалов. У железокремниевых сплавов наблюдается значительное смещение порога магнитострикционного насыщения. Характеристики никелевого феррита не претерпевают ощутимых изменений. Никельцинковые ферриты можно использовать при температуре до 250° С. Чистый никель выдерживает температуру свыше 250° С. Сплавы кобальта с железом имеют более высокую теплостойкость, зависящую от содержания кобальта. Титанат бария имеет низкую температуру точки Кюри и ограниченный диапазон рабочих температур.

Число отказов обычных полупроводниковых приборов под воздействием радиации достигает 50%.

Большое влияние оказывает радиация на полупроводниковые приборы, работающие по принципу использования неосновных носителей. Туннельные диоды и полевые транзисторы, работающие по принципу использования основных носителей, нечувствительны к радиации с плотностью 10¹³ нейтронов /см², их можно использовать при температурах до 315° С. Максимально допустимая плотность радиации для германиевых транзисторов составляет Ю¹⁶ нейтронов/см².

Предполагают, что материалы с большой величиной запрещенной зоны, способные работать при высоких температурах, малочувствительны к воздействию радиации. Повреждения кристаллической структуры материала, обусловленные радиацией, можно устранять отжигом. Приборы из арсенида галлия допускают быстрый отжиг при температуре 300—470° С.

Применение интерметаллических соединений способствует повышению рабочей температуры солнечных батарей, что улучшает их к. п. д. Сульфид кадмия позволяет получать электрическую энергию при температуре до 400° С, тогда как предельная рабочая температура кремниевых солнечных батарей не превышает 260° С. Арсенид-фосфид индия можно применять при температурах 450-800° С.

Использование неорганических диэлектриков позволило повысить рабочую температуру конденсаторов до 300—500° С. Многоэлементные слюдяные конденсаторы, собранные в кожухе из нержавеющей стали, выдерживают температуру 600° С. Высокотемпературные керамические материалы нечувствительны к воздействию радиации, по требуют тщательной очистки, чтобы устранить вероятность возникновения явлений, свойственных полупроводникам. Экспериментальные образцы конденсаторов из нитрида бора, окиси магния и окиси алюминия с рабочей температурой 500° С позволяют получить RC = 5 Мом · мкф. Окиси магния и алюминия выдерживают радиацию при температуре 400° С; нитрид бора превращается в этих условиях в окись бора.

Панели печатных схем, работающих при температуре 400° С и выше, изготовляют из керамики, стеклокерамики и слюды со стеклянным связующим. Миниатюрные печатные схемы на керамических панелях с проводниками из сплава молибдена с марганцем, нанесенными способом вжигания, выдерживают температуру до 700° С, а панели из форстеририта с платиновыми проводниками и серебряными контактами — до 800° С.

Термостойкие слоистые пластики после воздействия радиации выдерживают нагрев до 260° С, а нетермостойкие — расслаиваются во время испытаний на изгиб и сжатие в условиях повышенной влажности при интенсивности радиации около 10⁸р. Диэлектрическая проницаемость этих материалов сохраняется практически постоянной при интенсивности радиации от 10⁵ до 10⁷ р.

Асбесто-фенольные слоистые пластики выдерживают нагрев до 250° С при длительной и до 475—500° С при кратковременной эксплуатации. При работе в полях низкой частоты повышение температуры материала сопровождается увеличением диэлектрической проницаемости. При высоких частотах повышение температуры оказывает незначительное воздействие на параметры полиэфирных армированных пластмасс, асбесто-фенольных и стекло-фенольных материалов.

Органические заливочные компаунды без наполнителей обычно нельзя применять при температурах выше 200—250° С, Исключение составляют кремнийорганические соединения, которые приблизительно на 80% сохраняют свои первоначальные свойства при температуре до 315^е С; смолы на основе бутадиена выдерживают температуру до 260° С и эпоксидные смолы — до 315° С. Кремнийорганические заливочные лаки нечувствительны к воздействию радиации, Пол действием радиации кремиийорганическое масло превращается в резину, а кремнийорганическая резина становится ломкой.

Можно применять цементы на основе магнезита, циркония с содержанием фосфора или алюмината кальция. Для заливки деталей, работающих при сравнительно невысоких температурах, используют также стекло с низкой температурой плавления.