Поколения рэс и её конструкций

Поколения РЭС.

Электронная аппаратура условно делится на поколения:

1. (20÷50 г.г. XX в.) – электровакуумные приборы, электромеханическая коммутация, объемный модуль, значительные габариты, вес, энергоемкость, трудоемкость изготовления, низкая надежность и плотность монтажа;

Конструкция РЭС 20-х годов напоминала телеграфную аппаратуру проводной связи начального периода развития конструкций РЭС (деревянный ящик, монтаж неизолированным проводом, контак­тирование c помощью винтов). Однако, с одной стороны благодаря появлению электронных ламп и с другой стороны благодаря потребностям в установке РЭС на суда и автомобили (1925-1935) на первый план при конструировании РЭС вышла задача увеличения ее прочности и жесткости. По мере увеличения общего числа каскадов усиления возросла роль экранировки. Опасность самовозбуждения привела к необхо­димости экранировать не только катушки индуктивности, но и отдельные узлы в целом.

В конце 20-х годов появилось металлическое шасси, на кото­ром располагались и закреплялись электрорадиоэлементы (электровакуумные приборы, резисторы, конденсаторы, дроссели, трансформато­ры), монтаж между которыми осуществлялся гибкими проводами. Появление шасси позволило эффективнее разделять нежелательные связи по электромагнитному полю и обеспечить достаточную жесткость и прочность конструкции. В этом смысле идея металлического шасси сыграла решающую роль и поэтому металлические шасси составляли основу конструкций РЭС первого поколения.

Радиостанция "Север": Внешний вид и конструкция

Тем време­нем электронные усилительные каскады начали внедряться в теле­фонию. Здесь уже существовали проверенные практикой традиции конструирования аппаратуры в виде этажерки — вертикальной стойки с расположенными друг над другом блоками. Такая первая блочная конструкция явилась носителем прогрессив­ной идеи расчленения сложной аппаратуры на простые конст­рукции. Увеличение серийности выпуска аппаратуры привело к зарождению и последующему развитию принципа конструктивной иерархии РЭС.

В дальнейшем в РЭС, основанной на применении ламповых активных элементов, постепенно типичной стала конструктивная схема, в которой лампы уста­навливаются на панелях. При этом ламповые панели являются компоновочными центрами каскадов.

Рис. Модульный вариант конструкции первого поколения

2. (50÷60 г.г. XX в.) – дискретные ППП, модуль из объемных ЭРЭ, ПП, межблочный монтаж жгутами, плотность монтажа повышается в 10 раз и достигла 15÷20 соед./см², групповая пайка, в 10 раз возросла производительность сборки, объем функциональных ячеек снизился в 15÷25 раз, а энергоемкость в 10÷20 раз;

С появлением биполярных полевых транзисторов начали воплощаться идеи разработки малогабаритных ЭВМ. На их основе стали создавать бортовые электронные системы для авиационной и космической техники. Так как эти устройства содержали тысячи отдельных электрорадиоэлементов и постоянно требовалось все большее и большее их увеличение, появились и технические трудности. С увеличением числа элементов электронных систем практически не удавалось обеспечить их работоспособность сразу же после сборки, и обеспечить, в дальнейшем, надежность функционирования систем. Даже опытные сборщики и наладчики ЭВМ допускали несколько ошибок на 1000 спаек. Проблема качества монтажно-сборочных работ стало основной проблемой изготовителей при обеспечении работоспособности и надежности радиоэлектронных устройств. Усложнение принципов работы и схем требовало усовершен­ствования конструкций.

Рис. Печатная блата РЭС 60х годов.

Решить проблему надежности и воспроизводимости межсоединений удалось благодаря появлению печатных плат, которые интегрировали в себе функции несущей конструкции и обеспечивали электрические соединения. В печатной плате все одиночные проводники объединены в единое целое и изготавливаются одновременно групповым методом путем избирательного стравливания медной фольги с плоскости фольгированного диэлектрика. Так как печатные дорожки на одинаковых платах располагались одинаково, обеспечивалась хорошая воспризводимость условий распространения сигналов и лучшая помехозащищенность РЭС. Применение печатного монтажа было вызвано к жизни поис­ками методов производства, позволяющих повысить производи­тельность труда путем автоматизации.

Рис. Блок авиационной радиостанции «Ястреб».

В аппаратуре второго поколения большое число эле­ментов самой разнообразной формы препятствовало автоматиза­ции компоновочных работ. Криволинейная форма большинства элементов плохо согласовывалась с прямоугольной формой по­верхности монтажной плоскости модуля. Разнообразие форм эле­ментов не позволяло эффективно использовать поверхность мон­тажной плоскости модуля. Существенным недостатком компонов­ки модулей аппаратуры второго поколения являлось отсутствие регламентации ориентирования элементов на поверхности монтаж­ной плоскости модуля. Введению такой регламентации препятст­вовало разнообразие форм элементов модуля. Одним из путей повышения плотности компоновки РЭС явилось применение микромодулей: небольших печатных плат стандартизованных размеров, на которых размещался типовой фрагмент электрической схемы или несложный узел РЭС.

Платы микромодулей.

Микромодули имели металлизированные контактные площадки по торцам платы при помощи которых они соединялись между собой, образуя функциональное устройство РЭС, обладающее, по тем временам, высокой степенью плотности монтажа.

Рис. Компоновочные схемы модулей на ПП: а - горизонтальное, б – вертикальное; в – этажерочное расположение деталей между платами

Рис. Компоновка ячейки ЭВМ 1- двухсторонняя печатная плата;

2-двухплатный модуль; 3-одноплатный модуль; 4-соединитель

Печатная плата явилась предпосылкой к появлению микроэлектроники в которой роль печатной платы выполняет кристалл полупроводника в котором методами диффузии примесей и вакуумного напыления создаются микроминиатюрные ЭРЭ.

3. (70÷80 г.г. XX в.) – интегральные элементы и типовые элементы сборки (ТЭС), механизация установки ИМС на ПП, плотность установки ≤500 элем./см². С 1975 года ЦИМС на основе МОП-структур, объем блоков сократился в 20 раз, потребляемая мощность – в 15 раз, производительность труда возросла в 3÷5 раз относительно второго поколения. Здесь нашли применение многослойные (МПП), а внутриблочный монтаж – коммутационные (КПП) и гибридные печатные кабели (ГПК), автоматизация производства при накрутке, степень интеграции в ИМС – 10⁵ элементов;

Рис. Логические типовые элементы замены ЕС ЭВМ

Рис. Блок РЭС третьего поколения с ИМС

Третье поколение РЭС начинается с момента появления гибридных интегральных схем, выполненных по толстопленочной и тонкопленочной технологиям. Дальнейшее развитие этого направления привело к созданию полупроводниковых микросхем, заключающих в себе сложные функциональные устройства, которые в РЭС предыдущих поколений реализовывались на печатных платах или даже целых блоках.

Первыми были разработаны в конце 40-х годов толстопленочные гибридные схемы, в основу их изготовления была положена уже отработанная технология изготовления керамических конденсаторов, использующая метод нанесения на керамическую подложку через трафареты паст, содержащих порошок серебра и стекла. Переход к изготовлению на одной подложке нескольких соединенных между собой конденсаторов, а затем соединение их с композиционными резисторами, наносимыми также с помощью трафарета, с последующим вжиганием привело к созданию гибридных схем, состоящих из конденсаторов и резисторов. Вскоре в состав гибридных схем были включены и дискретные активные и пассивные компоненты: навесные конденсаторы, диоды и транзисторы.

В 1960 году Роберт Нойс из фирмы Fairchild предложил и запатентовал идею монолитной интегральной схемы (Патент США 2981877) и применив планарную технологию изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы. В монолитной интегральной схеме планарные диффузионные биполярные кремниевые транзисторы и резисторы соединены между собой тонкими и узкими полосками алюминия, лежащими на пассивирующем оксиде. Алюминиевые соединительные дорожки изготавливаются методом фотолитографии, путем травления слоя алюминия напыленного на всю поверхность оксида. Такая технология получила название – технология монолитных интегральных схем.

Особое значение для массового производства микросхем представляет метод проектирования микросхем, разработанный Деннардом из фирмы IBM. В 1973 г. Деннард и его коллеги показали, что размеры транзистора можно уменьшать без ухудшения его ВАХ (вольт-амперных характеристик). Этот метод проектирования получил название закон масштабирования. Интегральные микросхемы стали называться микроэлектронные устройства, рассматриваемые как единое изделие, имеющее высокую плотность расположения элементов эквивалентных элементам обычной схемы. Усложнение, выполняемых микросхемами функций, достигается повышением степени интеграции.

Рис. Конструкция субблока III-го поколения: 1 — радиочастотный соединитель; 2 — печатная плата; 3 — корпусированная ИС; 4 — каркасная катушка индуктивности с экраном; 5 — навесной ЭРЭ; б — низкочастотный соединитель; 7 — основание

4. (80-е г.г. XX в.) – микроблоки с микросборками частного применения, бескорпусные ИМС, БИС и СБИС, акусто- и оптоволоконные приборы, безвыводные поверхностно-монтируемые ЭРЭ и ИМС. ТЭС – основная конструктивная единица, по методам поверхностного монтажа, внутриблочный монтаж полосовыми линиями (ПЛ) и ГПК. Плотность монтажа возросла в 20 раз, энергоемкость снизилась в 50 раз, производительность труда возросла в 40÷50 раз по сравнению со вторым поколением. В едином технологическом цикле синтезируются память (ЗУ) и схемы управления ЗУ – микропроцессоры. Быстродействие электронных приборов по сравнению со вторым поколением возросло на 2 порядка;

Применение навесных ЭРЭ в сочетании с ИС не дает полностью реализовать все преимущества последних. Особенно резко этот недостаток стал проявляться по мере роста степени интеграции ИС. Для борьбы с этим недостатком было предложено упаковы­вать навесные ЭРЭ в микросборки (МСБ), корпуса которых конструктивно и тех­нологически согласуются с корпусами ИС высокой степени интег­рации. В аппаратуре четвертого поколения при компоновке ячеек уже однозначно используется разделение монтажной зоны на от­дельные участки для компоновки ИС и МСБ.

Рис. Конструкция аналогового субблока IV поколения с фильтрами ПАВ: 1 — лапка крепления, 2 — каркас-основание; 3 — гермоввод «слезка», 4 — микросборка, 5 — фильтр ПАВ; б — кожух-экран; 7 — паяный шов; 8 — трубка-шгенгель; 9 — высокочастотный разъем с полиэтиленовой заглушкой.

В 1981 – 1982 годах прогресс интегральных микросхем СБИС стимулировался наличием технологии литографии (электронно-лучевая, рентгеновская и на глубоком ультрафиолете от эксимерного лазера) и наличием производственного оборудования. Уже в 1983 г. как отметил Мур (на международной конференции) ввиду образования излишних производственных мощностей, как в США так и в Азии, прогресс в развитии микроэлектроники стал определяться только ситуацией на рынке.

В ранний период развития новой технологии (1960-е годы) принципы конструирования РЭС оставались еще неизменными. В 70-х годах, когда технология начала превращаться действительно в микротехнологию, стало возможным размещать крупные функциональные блоки РЭС (усилители, дешифраторы, процессоры и т.д.) в пределах одного кристалла. Возникло микросхемное направление развития РЭС. Большая интегральная схема это одновременно и законченное функциональное устройство и элемент.

Рис. Конструкция моноблочного прибора IV поколения

5. (90-е г.г. ХХ в.) – использование многокристальных модулей (МКМ), сверхпроводниковые схемы и элементы, молекулярная электроника, сверхчистые материалы, безлюдные технологии.

Увеличивается сложность элементной базы, сокращение числа уровней, снижение сложности конструкции, плотность монтажа – на 10⁷ см².

B настоящее время развиваются РЭС пятого поколения, отличительными особенностями которых от РЭС предыдущих поколений являются:

- широкое применение для обработки сигналов микропроцессоров с набором микросхем обвязки (память, тактовый генератор и т.д.);

Рис. Плата РЭС пятого поколения

- дальнейшая микроминиатюризация ЭРЭ и преимущественное применение в РЭС пятого поколения ЭРЭ поверхностного монтажа;

- перевод сигналов в цифровую форму и повышение частот обрабатываемых сигналов до десятков гигагерц;

- применение микросхем программируемой логики для реализации типовых цифровых и аналоговых устройств и постепенное смещение акцентов от чисто схемотехнических решений к достижению результатов путем программирования этих микросхем;

- применение элементов функциональной электроники (фильтры поверхностных акустических волн, микроэлектронные пьезоэлектрические фильтры, микросхемы квар­цевых генераторов);

- применение в качестве межблочной и коммутации оптоволоконной техники.

Рис. МПП в сочетании с ГПП для РЭС V поколения.

В целом произошла большая стандартизация и гибкость схемотехнических решений, за счет применения микросхем программируемой логики, которые явились базой для создания самых различных функциональных устройств.

Рис. Оптический мультиплексор в стандартной несущей конструкции, предназначенной для установки в стеллаж.

Рис.Стеллаж с установленными блоками РЭС пятого поколения.

При этом различные устройства могут зачастую реализовываться в рамках ограниченного набора ЭРЭ, а широта реализуемых функций обеспечивается управляющими программами, размещаемыми в программируемых ИМС. Различие схемного исполнения у функциональных устройств со сходными функциями сводится к изменениям их наружной «обвязки» вспомогательными ЭРЭ.