Патент на изобретение №2155462

(54) МИКРОЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОК С ОБЩЕЙ ГЕРМЕТИЗАЦИЕЙ

(57) Реферат:

Использование: в микроэлектронной технике, в конструкциях микроэлектронных блоков, реализующих электрические схемы радиоэлектронных устройств неоднородного состава. Технический результат заключается в повышении надежности при достижении высокой степени интеграции укрупненных структурных уровней радиоэлектронных устройств, характеризующихся функционально неоднородным составом и сложной морфологией межсоединений узлов и элементов схемы. Микроэлектронный блок с общей герметизацией содержит корпус, разделенный перегородками на отсеки, крышку, закрепленную по периметру корпуса пайкой, узел герметизации и гермовводы. Корпус выполнен монолитным как одно целое с перегородками, имеет площадь в плане не менее 100 см². Степень герметизации по допустимой величине натекания гелия в пределах от 10^-4 до 10^-3 лПа/с. В перегородках выполнены утолщения, являющиеся упорами для дополнительного крепления крышки к корпусу герметизированными компаундом винтами. С внутренней стороны крышки в местах ее сопряжения с перегородками выполнены выемки, в которые установлены контактные пружины. 7 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к микроэлектронной технике, а именно к конструкции микроэлектронных блоков, реализующих электрические схемы радиоэлектронных устройств неоднородного состава.

Известны конструкции микроэлектронных блоков [1, 2], содержащие корпус, крышку, микрополосковые платы, помещенные в корпус, и герметичные высокочастотные и низкочастотные выводы. Конструкции указанных микроэлектронных блоков допускают размещение в них функционально неоднородных компонентов электрической схемы радиоэлектронного устройства. В известных устройствах предусмотрена и общая герметизация объема блока, выполняемая в различных вариантах.

Недостатками известных конструкций является невысокая надежность низкочастотного разъема из-за его громоздкости и отсутствие указаний о дополнительном креплении крышки к корпусу при увеличении размеров корпуса в плане.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения принят микроэлектронный блок с общей герметизацией [3]. Устройство-прототип содержит корпус, разделенный экранирующими перегородками на отсеки, узел герметизации, низкочастотные и высокочастотные гермовводы. Крышка герметично закреплена по периметру корпуса посредством пайки. В отсеках корпуса помещены микроплаты на рамках.

Недостатком устройства-прототипа являются ограниченные возможности при реализации функционально неоднородных схем сложных радиоэлектронных устройств. В частности, в конструкции отсутствуют средства для подключения блока непосредственно к волноводному тракту антенно-фидерного устройства, не предусмотрена защита низкочастотного ввода от разгерметизации. Кроме этого конструкция не обладает достаточной механической прочностью при увеличении габаритных размеров корпуса.

Задачей изобретения является повышение надежности микроэлектронного блока при достижении высокой степени интеграции укрупненных структурных уровней радиоэлектронных устройств, характеризующихся функционально неоднородным составом и сложной морфологией межсоединений узлов и элементов схемы.

Для решения поставленной задачи в микроэлектронном блоке с общей герметизацией, содержащем корпус, разделенный перегородками на отсеки, крышку, закрепленную по периметру корпуса пайкой, узел герметизации и гермовводы, корпус выполнен монолитным как одно целое с перегородками, имеет площадь в плане не менее 100 см² и степень герметизации по допустимой величине натекания гелия в пределах от 10^-4 до 10^-3 лПа/с, при этом в перегородках выполнены утолщения, являющиеся упорами для дополнительного крепления крышки к корпусу герметизированными компаундом винтами, а с внутренней стороны крышки в местах ее сопряжения с перегородками выполнены выемки, в которые установлены контактные пружины.

При этом корпус выполнен из заготовки титанового сплава, имеет стенки толщиной (4-8) мм и перегородки толщиной (2-4) мм, а в месте установки сверхвысокочастотного разъема толщина стенки корпуса равна 4,7_-0,06 мм.

Винты для дополнительного крепления крышки к корпусу установлены с шагом (50-100) мм.

В отсеках корпуса установлены микрополосковые платы на рамках, а межотсечные соединения выполнены посредством микрополосковых соединительных плат, установленных в закрытых вкладышами проемах перегородок.

Кроме этого, в корпусе выполнено гнездо, оборудованное герметичным коаксиальным переходником, который содержит центральный стержень, установленный в стеклянной втулке, и металлическую обойму, герметично соединенную с корпусом посредством пайки, с внутренней стороны корпуса на центральном стержне установлен изолятор, а конец центрального стержня соединен с микрополосковой платой посредством петли.

Кроме того, с наружной стороны корпуса установлен защитный экран для низкочастотных гермовводов, который выполнен в виде обечайки, закрепленной посредством пайки на корпусе и стойках, установленных с наружной стороны корпуса. Обечайка снабжена отверстиями, боковым окном, закрытым съемной стенкой, и крышкой, а в отверстиях обечайки установлены проходные контакты.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг. 1 – микроэлектронный блока, вид сверху;
фиг. 2 – разрез А-А на фиг. 1;
фиг. 3 – фрагмент крышки, вид снизу;
фиг. 4 – вид Б на фиг. 1;
фиг. 5 – вид В на фиг. 1.

Микроэлектронный блок содержит корпус 1, крышку 2, узел 3 герметизации, представленный трубкой для откачивания воздуха и нагнетания инертного газа, гермовводы 4, соединенные монтажными проводами 5 с низкочастотным (НЧ) разъемом 6, сверхвысокочастотные (СВЧ) разъемы 7 и гнездо 8 для подключения коаксиально-волноводного перехода (КВП) 9 волноводного тракта.

Корпус 1 выполнен фрезерованием из монолитной заготовки титанового сплава (например, марки ВТ1-0) с разделением на отсеки перегородками 10, которые выполнены как одно целое с корпусом 1. Площадь корпуса в плане равна не менее 100 см² при толщине стенок и дна 4-8 мм и толщине экранирующих перегородок 2-4 мм. В месте крепления крышки 2 к корпусу по его внутреннему обводу выполнена канавка 11, в которую проложены резиновая прокладка 12 и металлическая проволока 13 (см. фиг. 2). Канавка 11 служит для создания герметичного шва по периметру крышки 2 припоем типа ПОСК 50-18. Кроме этого крышка 2 дополнительно закреплена на корпусе 1 винтами 14, установленными с шагом 50-100 мм. Для установки винтов 14 в перегородках 10 выполнены утолщения 15, являющиеся упорами для винтов. С наружной стороны крышка имеет полости 16 под винты, заполненные компаундом типа К153 или ЭЗК6-3. С внутренней стороны крышки 2 в местах ее сопряжения с перегородками 10 выполнены выемки 17, в которые установлены контактные пружины 18 (см. фиг. 3).

В надежно экранированных перегородками 10 отсеках корпуса 1 размещены микрополосковые платы 19 на рамках 20, закрепленных на корпусе 1 винтами. Микрополосковые платы 19 представляют собой подложку из поликора толщиной 0,5 или 1 мм с нанесенной на ее плоскости металлизацией из слоя меди толщиной 3-5 мкм. Сторона платы 19, обращенная к рамке 20, металлизирована полностью, т.е. является экраном. На лицевой стороне платы 19 расположены элементы электрической схемы, выполненные в микрополосковом исполнении. Межотсечные соединения между функциональными платами 19 выполнены посредством микрополосковых соединительных плат 21, установленных припоем ПОС 61 в проемах 22, перегородок 10, закрытых вкладышами 23, которые закреплены по контуру мягким припоем.

Гермовводы 4 предназначены для введения в микроэлектронный блок низкочастотных сигналов (напряжение смещения, низковольтное напряжение, ноль-питание). Каждый гермоввод 4 содержит центральный проводник, закрепленный в изоляторе, который, в свою очередь герметично закреплен в металлической обойме, как показано на фиг. 4. Обойма гермоввода 4 помещена в гнездо 24, выполненное в корпусе 1, припаяна герметичным швом припоем ПОС 61 и дополнительно с наружной стороны блока покрыта слоем 25 компаунда типа ЭЗК-5.

Для защиты гермовводов 4 от внешних воздействий и механических повреждений в предлагаемой конструкции микроэлектронного блока предусмотрены защитные экраны в двух вариантах исполнения.

При использовании стандартного НЧ разъема 6 типа МР может быть применен простой металлический кожух 26, закрепленный винтами на корпусе 1 и металлической скобе 27, несущей разъем 6, как показано на фиг. 1.

Для надежного экранирования гермовводов 4 от внешних электромагнитных полей, а также в целях повышения эксплуатационной надежности и ремонтопригодности блока предпочтительно использование второго варианта защитного экрана, приведенного на фиг. 4. Согласно фиг. 4 защитный экран представляет собой обечайку 28 с отверстиями 29, боковым окном 30, закрытым съемной стенкой, и крышкой 31, которая закреплена винтами на стойках 32, установленных с наружной стороны корпуса 1. Обечайка 28 своей нижней частью припаяна к корпусу 1 и стойкам 32. В отверстиях обечайки 28 установлены проходные контакты 33, закрепленные припоем ПОС 61. Внешние связи подведены к проходным контактам 33 экранированным проводом, а внутри обечайки 28 расположены монтажные провода 5, соединяющие контакты 33 с гермовводами 4.

Ввод и вывод в микроэлектронный блок СВЧ сигналов осуществляется через стандартные СВЧ разъемы 7 типа СРГ 50-751. Для обеспечения надежного соединения центрального проводника разъема 7 с микрополосковой платой 19 стенка корпуса 1 в месте его расположения выполнена толщиной 4,7_-0,06 мм. При этом утонение стенки может иметь локальный характер или распространяться на всю длину соответствующей стенки корпуса 1.

Для непосредственного соединения с волноводным трактом без применения кабеля и СВЧ разъема корпус 1 оснащен гнездом 8 для подсоединения КВП 9 через герметичный коаксиальный переходник 34, показанный на фиг. 5. Переходник 34 состоит из центрального стержня 35, установленного в стеклянной втулке 36, которая заключена в металлическую обойму 37, герметично запаянную в корпусе 1 припоем ПОС 61. Во избежание замыкания на корпус 1 с его внутренней стороны на стержне 35 установлен изолятор 38. Один конец стержня 35 соединен с микрополосковой платой 19 посредством проволочной петли, а второй его конец закреплен пайкой на стержне 39, принадлежащем КВП 9. КВП 9 представляет собой короткозамкнутый отрезок волновода с поршнем 40, выступом 41, введенным в гнездо 8, и двумя стержнями 39, 42, находящимися в индуктивной связи. Для надежности электрического контакта в гнездо 8 установлена контактная пружина 43.

Сборка микроэлектронного блока производится следующим образом.

Сначала припаивают к корпусу 1 СВЧ разъемы 7, гермовводы 4, герметичный коаксиальный переходник 34 и трубку узла 3 герметизации припоем ПОС 61. Все швы указанной пайки выполняют герметичными. Затем устанавливают в отсеки корпуса микрополосковые платы 19 на рамках, закрепляя рамки винтами на корпусе, соединяют платы 19 с соответствующими разъемами и гермовводами и между собой согласно электрической схеме по СВЧ и НЧ точкам, используя припой с более низкой температурой плавления, например, ПОИ или ПОСК 50-18. Закрывают проемы 22 в перегородках 10 вкладышами 23, используя мягкий припой. Устанавливают выступ 41 КВП 9 в гнездо 8 корпуса. Монтажными проводами 5 соединяют гермовводы 4 с НЧ разъемом 6 и проходными контактами 33, и микроэлектронный блок подлежит регулировке. После регулировки герметизируют микроэлектронный блок. Закладывают в канавку 11 корпуса крышку 2, резиновую прокладку 12, проволоку 13 и заполняют канавку припоем. После пайки крепят крышку 2 винтами 14 к упорам 15 корпуса и заливают полости 16 крышки компаундом типа К 153. Откачивают воздух из внутреннего объема корпуса 1, после чего заполняют его смесью гелия газообразного очищенного марки A (ТУ 51-940-80) – 10% и аргона газообразного высшего сорта (ГОСТ 10157-79) – 90% до давления (1,05-1,10)10⁵ Па. Проверяют микроэлектронный блок на герметичность масс-спектрометрическим методом. При достижении степени герметизации по допустимой величине натекания гелия в пределах от 10^-4 до 10^-3 лПа/с трубку узла 3 герметизации запаивают. Устанавливают на корпус 1 металлический кожух 26 и обечайку 28 защитных экранов для гермовводов 4.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Через СВЧ разъемы 7 в микроэлектронный блок поступают сигналы от внешних устройств радиоэлектронной аппаратуры, например радиолокационной станции (РЛС). Сигнал, пройдя канал разъема 7, переходит на микрополосковую плату 19 при помощи проволочной петли. При выбранной калиброванной толщине стенки корпуса 1 в месте установки СВЧ разъема 7, равной 4,7_-0,06 мм, центральный стержень СВЧ разъема 7 выступает за пределы отверстия в корпусе на величину 0,4 мм. Больший размер приводит к большему отражению проходящего сигнала, а меньший размер выступа осложняет установку проволочной петли. Далее при прохождении через микрополосковые платы 19 СВЧ сигнал трансформируется в соответствии с электрической схемой микроэлектронного блока.

Для передачи слабых СВЧ сигналов, например, непосредственно от антенны на приемную часть РЛС используется соединение КВП 9 с соответствующей микрополосковой платой 19 через герметичный коаксиальный переходник 34. При регулировке микроэлектронного блока перемещением поршня 40 добиваются того, чтобы максимум отраженного и падающего сигналов приходился на взаимодействующие стержни 39 и 42 КВП 9. Со стержня 39 (внутреннего проводника коаксиальной линии) полученный антенной сигнал передается на стержень 35, являющийся центральным проводником коаксиального переходника 34, с которого поступает на микрополосковую плату 19 и далее внутрь микроэлектронного блока для последующей обработки.

Для подачи на элементы электрической схемы микроэлектронного блока напряжения смещения и питания (например, -5 В) нуль-питания используются гермовводы 4. При этом выполнение защитного экрана по второму варианту в виде обечайки 28 обеспечивает не только надежную защиту гермовводов от механических повреждений и внешних электромагнитных полей, но и позволяет производить многократную перепайку проводов без риска повреждения гермоввода и разгерметизации корпуса.

Локальные тепловыделения, сопровождающие работу транзисторов или навесных резисторов, в случае их использования для реализации схемного решения микроэлектронного блока, легко нейтрализуются большим объемом корпуса блока.

Большой объем микроэлектронного блока позволяет разместить последовательно или параллельно функционально неоднородные фрагменты радиоэлектронного устройства со сложной морфологией межсоединений узлов и элементов, поскольку микрополосковые платы разделяют только экранирующие перегородки. Возможность оптимизации схемно-конструкторского решения путем прямого сопряжения элементов и сокращения пути межсоединений повышает эксплуатационную надежность микроэлектронного блока.

При этом контактные пружины 18 и перегородки 10 надежно экранируют размещенные в отсеках компоненты электрической схемы от взаимного влияния.

При больших размерах корпуса в плане механическая прочность микроэлектронного блока обеспечивается жесткостью толстых монолитных стенок и перегородок, использованием дополнительного крепления крышки к корпусу винтами, что позволяет скомпенсировать суммарное воздействие внутреннего избыточного давления инертных газов и внешних вибраций и препятствует разрушению герметичного шва, а также использованием средств защиты гермовводов.

Оборудование микроэлектронного блока крупногабаритных размеров герметичными узлами различного вида для ввода как мощных, так и слабых СВЧ сигналов, возможность выбора вариантов исполнения НЧ разъемов обеспечивает высокий уровень интеграции при реализации схемных решений, вплоть до размещения целого радиоэлектронного устройства в едином корпусе предлагаемой конструкции.

Промышленная применимость изобретения определяется тем, что микроэлектронный блок с общей герметизацией может быть изготовлен на основании приведенного описания и чертежей при использовании известных материалов и технологического оборудования, применяемого в современном производстве радиоэлектронных устройств различного назначения.

Источники информации
1. РФ, свидетельство N 6297 на полезную модель, МПК H 05 K 5/00, публикация 16.03.98 г.

2. РФ, свидетельство N 2169 на полезную модель, МПК H 05 K 1/00, публикация 16.05.96 г.

3. Яшин А. А. Конструирование микроблоков с общей герметизацией.- М.: Радио и связь. – 1985.- С. 27, прототип.

Формула изобретения

1. Микроэлектронный блок с общей герметизацией, содержащий разделенный перегородками на отсеки корпус, крышку, закрепленную по периметру корпуса пайкой, узел герметизации и гермовводы, отличающийся тем, что корпус выполнен монолитным как одно целое с перегородками, имеет площадь в плане не менее 100 см² и степень герметизации по допустимой величине натекания гелия в пределах от 10^-4 до 10^-3 л Па/с, при этом в перегородках выполнены утолщения, являющиеся упорами для дополнительного крепления крышки к корпусу герметизированными компаундом винтами, а с внутренней стороны крышки в местах ее сопряжения с перегородками выполнены выемки, в которые установлены контактные пружины.

2. Микроэлектронный блок по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен из титанового сплава.

3. Микроэлектронный блок по п.1, отличающийся тем, что корпус имеет стенки толщиной 4 – 8 мм и перегородки толщиной 2 – 4 мм, а в месте установки сверхвысокочастотного разъема толщина стенки корпуса равна 4,7_-0,06 мм.

4. Микроэлектронный блок по п.1, отличающийся тем, что винты для дополнительного крепления крышки к корпусу установлены с шагом 50 – 100 мм.

5. Микроэлектронный блок по п.1, отличающийся тем, что в отсеках корпуса установлены микрополосковые платы на рамках, а межотсечные соединения выполнены посредством микрополосковых соединительных плат, установленных в закрытых вкладышами проемах перегородок.

6. Микроэлектронный блок по п.1, отличающийся тем, что в корпусе выполнено гнездо, оборудованное герметичным коаксиальным переходником, который содержит центральный стержень, установленный в стеклянной втулке, и металлическую обойму, герметично соединенную с корпусом посредством пайки, с внутренней стороны корпуса на центральном стержне установлен изолятор, а конец центрального стержня соединен с микрополосковой платой посредством петли.

7. Микроэлектронный блок по п.1, отличающийся тем, что с наружной стороны корпуса установлен защитный экран для низкочастотных гермовводов.

8. Микроэлектронный блок по п.7, отличающийся тем, что защитный экран для низкочастотных гермовводов выполнен в виде обечайки, которая закреплена посредством пайки на корпусе и стойках, установленных с наружной стороны корпуса, обечайка снабжена отверстиями, боковым окном, закрытым съемной стенкой, и крышкой, а в отверстиях обечайки установлены проходные контакты.

РИСУНКИ