Проектирование усилительного модуля

Введение

Радиоэлектронные устройства находят широкое применение не только в нашей стране, но и за рубежом. Создание новых радиоэлектронных приборов связано с большим и кропотливым трудом. В процессе разработки аппаратуры много внимания приходится уделять сбору информации и анализу существующих схемных решений.

Расширение сферы и масштабов применения радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) привело к образованию новых специализированных предприятий по разработке и изготовлению РЭА применительно к назначению и объекту установки. В настоящее время РЭА применяется не только в помещениях, также ее устанавливают на самолёты, ракеты, в военную технику и автомашины. От ее работы все чаще зависит исход военных операций, в том числе на море и в воздухе, где радиолокация и радионавигация стали основой тактических действий. Возникли новые задачи обеспечения влагозащиты, виброизоляции, стойкости при ударах, при изменении окружающей температуры, при нагреве выделяемым при работе теплом.

При создании РЭА в нашей стране предусмотрено применять модульный принцип, который обеспечивает высокую технологичность на основе унификации и стандартизации.

В начале 80-х годов на «Истоке» был разработан твердотельный усилительный модуль типа «Одиссея»-первый в стране усилитель на полевых транзисторах с барьером Шотки в трёхсантиметровом диапазоне длин волн, выпускаемый серийно. Как правило, в модуль объединяются несколько устройств, следующих друг за другом, например, защитное устройство и многокаскадный усилитель. Современные устройства для бортовой аппаратуры выполняются в виде гибридных интегральных схем (ГИС), размещенных на тонких диэлектрических подложках из керамики, типа поликор, или сапфира, обладающих слабой механической прочностью. Для предотвращения растрескивания и раскалывания микросхем и создания надежного теплоотвода их помещают в металлические корпуса

В настоящее время потребность в модулях, применяемых в бортовой аппаратуре сильно увеличилась. Поэтому была поставлена задача модернизировать существующую конструкцию в целом и ее частей для эксплуатации на борту летательных аппаратов, на судах, на наземных подвижных средствах и в стационарных условиях, обеспечивая при этом миниатюризацию и совместимость усилительного модуля с объектом установки.

Целью настоящего дипломного проекта является оптимизация конструкции усилительного модуля по целому комплексу параметров. Для достижения поставленной цели в работе должны быть решены следующие основные задачи: выполнено проектирование усилительного модуля, содержащего многокаскадный МШУ; проведено обоснование выбора конструкции и материала корпуса модуля и выполнена оптимизация размеров модуля; предложен наиболее приемлемый способ соединения ГИС с основанием корпуса; разработан способ герметизации корпуса.

При этом усилительный модуль должен иметь следующие основные параметры:

• частотный диапазон - 7…10 ГГц;

• коэффициент усиления - 30 дБ;

• коэффициент шума - 3 дБ;

• предельно допустимая мощность на входе - 1 Вт;

• максимальная выходная мощность - 30 мВт;

• диапазон температур модуля – 60…+85⁰С;

• масса 200 г.

1.Аналитический обзор публикаций по конструированию усилительных модулей

За последние годы широкое применение в технике СВЧ, в том числе и в бортовой аппаратуре радиопротиводействия (РПД) находят гибридные интегральные усилители на полевых транзисторах с барьером Шотки .1-4.

Приемную систему, состоящую из антенны, элементов фидерного тракта и приемника, можно представить в виде n-каскадно связанных четырехполюсников, характеризуемых эффективной шумовой температурой Т_шi (или коэффициентом шума F_i) и коэффициентом передачи мощности (усиления) К_рi = Р_{с вых i} / Р_{свх i} , F_i = (P_c/P_ш)_{вх i} / (Р_с/Р_ш)_{вых i} ; Т_{ш i} = Т₀(F_i – 1).

Эффективная шумовая температура Т на выходе всей системы определяется из соотношения Т = Т_ш1 + Т_ш1/К_р1 + Т_ш2/К_р1К_р2…, для случая полного согласования элементов между собой. 5.

Уменьшение Т снижает мощность собственных шумов на входе приемной системы, улучшая ее пороговую чувствительность Р_{с вх min} , т. е. позволяет принимать более слабые сигналы. Это следует из определения пороговой чувствительности Р_{с вх min} = Р_{ш вх} = кТf, где к – постоянная Больцмана, f – полоса пропускания приемной системы. Снижение Т приемной системы – наиболее эффективный и экономный способ повышения энергетического потенциала радиолинии.

Первым элементом приемной системы, характеризуемой выражением для Т является антенна, обладающая фиксированной шумовой температурой Т_а = Т_ш1. Поэтому желательно, чтобы второй элемент приемной системы имел малую шумовую температуру Т_ш2 и большой коэффициент усиления К_р2. Такими параметрами обладают входные малошумящие усилители (МШУ).

К МШУ современных приемных систем предъявляются следующие основные требования:

1. МШУ должны быть пригодны для установки вблизи от облучателя антенны (желательно перед фидером с потерями), обладать малой шумовой температурой и большим коэффициентом усиления. 6.

2. Ширина полосы пропускания МШУ должна быть достаточной для безискаженного усиления принимаемого сигнала и обеспечения заданной помехозащищенности. МШУ часто делают широкополосными. 6.

3. При использовании МШУ с Т_ш  50 К необходимо заботиться о тщательном его согласовании с входящими цепями. Любое рассогласование приводит ослаблению принятого антенной сигнала в 1 / ( 1 - Г_А^2) раз, где Г_А – коэффициент отражения. 6.

4. Уровень сигнала, попадающего на вход МШУ, в условиях эксплуатации аппаратуры РПД может изменяться в весьма широких пределах. Поэтому МШУ должен обладать как можно большим динамическим диапазоном, определяемым отношением мощности входного сигнала, соответствующей насыщению усилителя – Р_{вх нас} , к минимальному входному сигналу Р_{вх min} , определяемому уровнем собственных шумов МШУ. Мощность насыщения Р_{вх нас} определяется по уменьшению коэффициента усиления на 1 дБ. При малом значении Р_{вх нас} возникают искажения сигнала и его подавление сильной помехой, попадающей на вход МШУ. 7.

5. Время вывода МШУ на рабочий режим должно быть минимальным. Должно быть и малым время восстановления работоспособности усилителя после воздействия на него сильной помехи. 8.

6. Надежность усилителя должна обеспечивать определенное число часов наработки на отказ при работе в условиях, соответствующих нормали.8.

7. МШУ должен быть прост в обслуживании, иметь удобную систему регулировок и контроля. Замена полупроводниковых приборов и других элементов усилителя должна производиться с его минимальной подстройкой. Масса и габаритные размеры МШУ, а также потребляемая мощность должны быть малыми. Выполнение этих требований особенно важно для бортовой аппаратуры.

Отметим, что некоторые из перечисленных требований противоречивы и одновременное полное их выполнение невозможно. На практике при выборе типа усилителя, как правило, приходится применять компромиссные решения. Эти решения получаются в результате проектирования МШУ, включающего в себя этап оптимизации параметров МШУ по нескольким критериям качества. 9–10. Практически всем вышеприведенным требованиям удовлетворяют гибридные интегральные схемы МШУ на ПТШ.

Транзисторные усилители отличаются высокой чувствительностью, низким энергопотреблением, малыми габаритами и массой, большой устойчивостью к механическим и электрическим воздействиям, сравнительно невысокой стоимостью. Транзисторы удобно сопрягаются с элементами интегральных микросхем.

МШУ СВЧ, в основном, строятся на ПТШ, которые имеют меньший F, чем биполярные транзисторы. Разработаны МШУ на рабочие частоты от 1 до 60 ГГц с К_р = 5…15 дБ на каскад и F = 0,5…8 дБ. Полоса усиления МШУ может быть от нескольких процентов до нескольких октав. Как правило, F узкополосных МШУ на 0,2…0,5 дБ превышает коэффициент шума используемых ПТШ, а широкополосных – на 1,5…4 дБ. Выходная мощность насыщенных МШУ обычно составляет 0,1…10 мВт, поэтому динамический диапазон у них больше, чем у усилителей на туннельных диодах и параметрических усилителей, на 10…20 дБ. Важным преимуществом транзисторных усилителей является и более высокая стабильность усиления по сравнению с диодными усилителями.

МШУ на ПТШ применяются в качестве входных каскадов приемных систем и реализуются в виде гибридных или монолитных интегральных схем. 11.

Конструкции МШУ на ПТШ сравнительно просты. Например, на поликоровую подложку с напыленными входными, межкаскадными и выходными согласующими цепями, элементами развязки в цепях смещения устанавливают транзисторы. Плату помещают в плоский корпус в виде запредельного волновода, под платой могут быть установлены схемы управления и стабилизаторы питания. Коаксиально–полосковые либо волноводно–полосковые ввод и вывод СВЧ сигнала, разъемы питания герметичны или вакуумно - герметичны. В связи с этим ремонт усилителей, как правило, возможен только в условиях предприятия изготовителя или специализированных ремонтных предприятий. 12-15.

На практике в основном используются усилители на ПТШ, включенные по схеме с общим истоком, имеющей такой же коэффициент шума, как и схема с общим затвором, но больший коэффициент передачи мощности. Поэтому при использовании таких схем меньше сказываются шумы последующих каскадов.

При разработке транзисторов на ПТШ необходимо некоторое рассогласование входа транзистора с источником сигнала для получения минимального коэффициента шума. Однако такое рассогласование может привести к неустойчивости работы МШУ и снижению К_р.

Как правило, в радиоприемных устройствах от МШУ требуется усиление в несколько десятков децибелл. Поэтому МШУ выполняют многокаскадными, причем первые один – два каскада настраивают на минимум F, промежуточные – на максимум К_р, а последний – на максимум выходной мощности.

Расчет МШУ обычно основывается на использовании элементов малосигнальной S – матрицы транзистора. Эти элементы измеряются в режиме, соответствующем рабочему, при включении транзистора в 50 – омный тракт, нагруженный на согласованную нагрузку. 9.Однако, зная S – матрицу транзистора, нельзя рассчитать коэффициент шума усилителя. Для этого необходимо знать шумовые параметры транзистора.

Входные, межкаскадные и выходные согласующие цепи обеспечивают получение требуемых значений коэффициентов усиления и шума в заданной полосе частот. Они могут содержать элементы как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами. В монолитных схемах МШУ вместо пассивных согласующих цепей применяют активное согласование на входе МШУ включают каскад с общим затвором, а на выходе – с общим стоком. При выборе согласующих транзисторов с крутизной, равной проводимости входной и выходной микрополосковых линий, может быть достигнуто согласование в полосе нескольких октав. 16.

Можно выделить четыре основных типа МШУ: однотактные, балансные, комбинированные и отражательные. Наиболее широкое распространение получили однотактные и балансные усилители. 1.

В работе 17 приведены электрическая и топологическая схемы усилителя на ПТШ. Рабочий диапазон усилителя 8…18 ГГц, коэффициент усиления К_р6 дБ, размеры 1,2 х 1,8 мм. Усилитель размещается в герметичный медный корпус, покрытый Ni и Au, в котором кроме того, устанавливаются кремниевый стабилизатор напряжения и фильтры нижних частот цепей питания и смещения. Входная согласующая цепь усилителя состоит из LC – элементов, реализованных в виде одновитковых индуктивностей и сосредоточенных штыревых емкостей. В схеме предусмотрена возможность контроля АЧХ согласующей цепи. Для этого на ее вход подается испытательный сигнал, который после прохождения цепи снимается с контактной площадки. С целью поверки качества ПТШ его электроды первоначально не соединяются со входными и выходными цепями.

Балансные усилители состоят из двух однотактных усилителей, включенных параллельно с помощью 3 – децибельных мостов. 18. Балансные транзисторные усилители имеют более широкий динамический диапазон, чем однотактные, поскольку на балансный каскад поступает только половина общей мощности сигнала; более высокую надежность, так как отказ транзистора в одном плече ведет лишь к уменьшению К_р на 6 дБ при сохранении работоспособности усилителя.

К недостаткам балансного усилителя следует отнести ухудшение его чувствительности из-за потерь на отражение ( входной КСВ моста в полосе не лучше 1,5 ) и диссипативных потерь в высокоомных линиях мостов. Для балансного усилителя необходима пара транзисторов, идентичных по параметрам К_р и F. Эта трудность легче преодолевается в полупроводниковых монолитных схемах СВЧ, чем в гибридных интегральных схемах. На основе однотактных и балансных усилителей выполняются комбинированные усилители. В тех случаях, когда необходимо получить в узкой полосе частот коэффициент усиления больший, чем паспортное значение К_р транзистора, используют регенеративные транзисторные усилители отражательного типа. Подключение источника сигнала и нагрузки к отражательным усилителям осуществляется через циркулятор.

Конструктивно МШУ выполняются в виде гибридных интегральных схем, к которым припаиваются или привариваются навесные пассивные элементы и активные полупроводниковые элементы – транзисторы и диоды.

Навесные пассивные элементы – элементы СВЧ с сосредоточенными RLC – параметрами; микроминиатюрные линии передачи; узлы – мосты; направленные ответвители; фильтры; ферритовые устройства и т. п. Навесные активные элементы изготавливаются в корпусном и бескорпусном вариантах. 14. Металлостеклянные и металлокерамические корпуса, обеспечивающие защиту полупроводниковых кристаллов от механических воздействий, имеют значительные паразитные LCR – параметры, а дешевые пластмассовые корпуса недостаточно влагостойкие. Кроме того, различие температурных коэффициентов линейного расширения конструктивных элементов приводит к обрыву выводов в результате изменения температуры окружающей среды, а при включении активных приборов – к обрывам внутренних проводников. 19.

Указанные факторы, а также большие габаритные размеры корпусов вынуждают использовать в ГИС преимущественно бескорпусные ПТШ, индуктивности выводов которых не превышают десятых долей наногенри. С целью герметизации и защиты от механических повреждений ГИС с полупроводниковыми бескорпусными элементами помещают в общий корпус устройства после его сборки. 20.

Малые размеры активных элементов и сравнительно небольшие КПД приводят к локализации тепловыделения и необходимости отвода тепла. В этой связи необходимо проводить оптимизацию конструкции с точки зрения эффективного отвода тепла от ПТШ и выбор способа установки транзистора: на металлическом основании в отверстиях, просверленных в подложке, в промежутке между подложками и т. п.

В качестве материалов для корпусов используют алюминий, дюраль, латунь, ковар, титан и т. д. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.

Важным этапом при конструировании модуля является правильный выбор металла для корпуса, способов соединения ГИС с корпусом и корпуса с крышкой, оптимальный выбор размеров корпусов и т. п.

На основании проведенного аналитического обзора литературы показано, что конструирование усилительного модуля на ПТШ для бортовой аппаратуры является актуальной задачей, решение которой должно удовлетворять комплексу электрических, тепловых, механических требований.

Целью настоящего дипломного проекта является оптимизация конструкции усилительного модуля по целому комплексу параметров. Для достижения поставленной цели в работе должны быть решены следующие основные задачи:

выполнено проектирование усилительного модуля, содержащего многокаскадный МШУ; проведено обоснование выбора конструкции и материала корпуса модуля и выполнена оптимизация размеров модуля; предложен наиболее приемлемый способ соединения ГИС с основанием корпуса; разработан способ герметизации корпуса.

При этом усилительный модуль должен иметь следующие основные параметры:

- частотный диапазон - 7…10 ГГц;

- коэффициент усиления - 30 дБ;

- коэффициент шума - 3 дБ;

- предельно допустимая мощность на входе - 1 Вт;

- максимальная выходная мощность - 30 мВт;

- диапазон температур модуля – 60…+85⁰С;

- масса 200 г.

2. РАСЧЕТНО – ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Проектирование усилительного модуля

2.1.1 Введение

В начале 80-х годов был разработан усилительный модуль типа «Одиссея» - первый в стране усилитель на полевых транзисторах с барьером Шотки (ПТШ) в трёхсантиметровом диапазоне длин волн, выпускаемый серийно на заводе «Рений». Модуль имел следующие характеристики:

• коэффициент усиления по мощности (К_р) - 20 дБ;

• неравномерность К_р в диапазоне частот - 7 …10,5 дБ составлял 4 дБ;

• максимальная выходная мощность - 10 мВт;

• коэффициент шума (F) - менее 10 дБ;

• допустимая входная мощность:

а) в непрерывном режиме - 1,7 Вт;

б) в импульсном режиме - 15 Вт.

Усилительный модуль содержал 8-каскадный усилитель на отечественных ПТШ типа 3П-321-А-2 (входные каскады) и 3П602 (выходные каскады), и защитное устройство на диодах типа 2А522.

За последние годы выпуск указанных транзисторов на заводе г. Новгород Великий прекратился.

Между тем, потребность в подобном усилительном модуле, применяемом в бортовой аппаратуре, не только не снизилась, но и продолжает увеличиваться. Всё это заставило искать возможности замены «новгородских» транзисторов. Зарубежные ПТШ, хотя и имеют малую стоимость, не рекомендуется использовать в аппаратуре военного назначения.

В этой связи на «Истоке» (в НПК-4) были разработаны аналоги транзисторов 3П321 и 3П602 с более высокими, характеристиками. В частности, коэффициент шума транзистора «Созвездие» на частоте 10 ГГц составляет 1,5 дБ, а выходная мощность транзистора «Полёт» - более 30 мВт. Прямое включение этих транзисторов в схему усилителя, вместо ранее применявшихся «новгородских», неприемлемо, поскольку характеристики их различны. Необходимо было заново провести проектирование усилительных каскадов и разработать их топологии.

2.1.2 Расчет параметров узлов модуля

При разработке модуля было принято во внимание, что за прошедшие годы изменились подходы к конструированию корпусов модулей и технологии их изготовления.

На основании вышеуказанного была поставлена задача: разработать усилительный модуль на «истоковских» ПТШ с применением новых конструкторских и технологических решений. Модуль должен был иметь следующие параметры:

• коэффициент шума - F < 3 дБ;

• коэффициент усиления - более 30 дБ;

• максимальная выходная мощность - 30 мВт;

• неравномерность К_р в полосе ± 0,5 дБ.

При решении поставленной задачи в настоящей работе выполнены

следующие исследования:

- разработана принципиальная схема модуля;

- проведено проектирование одного каскада усилителя;

- выполнен тепловой расчет конструкции усилителя с кристаллом, углубленным в подложку;

- проведен выбор конструкции корпуса модуля;

- выбран перспективный метод пайки платы к корпусу;

- рассмотрены вопросы герметизации модуля.

Принципиальная схема модуля, изображенная на рис. 1, содержит защитное устройство и пятикаскадный усилитель.

Защитное устройство выполнено на основе двух ограничительных диодов (ОД) типа «параграф», выпускаемые в цехе 33 «Истока». Первый диод подвергается наибольшему воздействию проникающей СВЧ - мощности и поэтому он выбран с толщиной базы W=1,7 мкм.

Ёмкость диода С=0,15 пФ и сопротивление потерь Rп=2 Ом. Второй диод - маломощный - имеет толщину базы W= 1 мкм, ёмкость С=0,2 пФ, сопротивление 1 Ом. В режиме слабого сигнала L=1дБ, а в режиме высокой входной мощности защитное устройство дает ослабление мощности более 30 дБ. Защитное устройство разработано в НПК-8 «Истока».

Согласно заданию, общий коэффициент усиления модуля составляет 30 дБ. Такое усиление может быть достигнуто в 5 - каскадном усилителе. Поскольку ПТШ «Созвездие» на частоте 10 ГГц в линейном режиме имеет К_р=10 дБ и F=1,5 дБ, то два первых каскада выполняются на этих транзисторах. По мере увеличения мощности от каскада к каскаду режим работы ПТШ становится более нелинейным, коэффициент усиления снижается. Поэтому проектируемые значения К_р первых трех каскадов: К_р1=10 дБ, К_р2= 6 дБ, К_р3=6 дБ.

Коэффициент шума (F) многокаскадного усилителя определяется выражением:

,

где F_i и К_рi вычисляется в разах (i=1,2,3…)

F₁ =1,5 дБ соответствует F₁==1,41;

F₂ =2 дБ соответствует F₂=1,7;

К_р1=10 дБ соответствует К_р1=10;

К_р2=6 дБ соответствует К_р2=4;

К_р3=6 дБ соответствует К_р3=4.

Если предположить, что первый каскад имеет величину F₁=1,5 дБ (1,41)

(i=1,2,3…), а второй F₂=2 дБ (1,7) и третий F₃=3 дБ (2), то из приведенной выше формулы получаем:

F=1,41 + (1,7-1) / 10 + (2-1) / 4= 1,41 + 0,07 + 0,25 = 1,73 дБ

Значение F=1,73 дБ соответствует F»1,8 дБ. Прибавив к этому значению потери в защитном устройстве в 1 дБ, которые характеризуют шумы защитного пассивного устройства, получим суммарный коэффициент шума модуля

F=2,8 дБ.

Два выходных каскада усилительного модуля выполнены на ПТШ типа «Полёт». Эти каскады работают при мощности (её увеличенных значениях), и поэтому их коэффициенты усиления составляют К_р4=6дБ и К_р5=3 дБ соответственно. Таким образом суммарный коэффициент усиления модуля:

К_р=10 + 6 + 6 + 6 + 3 = 31 дБ

Проведенные оценочные расчеты показывают, что при использовании ОД «Параграф» и ПТШ «Созвездие» и «Полёт» можно получить требуемые характеристики модуля.

Отметим, что если транзисторы 3П321 и 3П602 выпускались в корпусах, то транзисторы «Созвездие» и «Полёт» изготавливаются в бескорпусных вариантах, что позволяет их включать в ГИС усилителей как в традиционном варианте, так и в углубление в диэлектрической подложке.

Проектирование отдельных каскадов усилителя рассмотрим на примере малошумящего усилителя на ПТШ типа «Созвездие» (1 каскад).

ПТШ «Созвездие» имеет длину затвора l_з=0,3 мкм, толщину активной области а=0,2 мкм, ширину затвора W_з=150 мкм. Параметры ПТШ «Полёт»: l_з=0,25, W_з=300 мкм, а=0,17 мкм.

Важной задачей СВЧ техники является создание усилителей с широкой рабочей полосой частот. Среди широкополосных усилителей особое место занимают малошумящие усилители (МШУ). При создании таких усилителей приходится решать по крайней мере, две задачи: добиться в полосе частот Df малого коэффициента шума F_ш и одновременного высокого коэффициента усиления К_р. Причем, увеличение полосы частот приводит к увеличению коэффициента шума и снижению коэффициента усиления. Для того, чтобы совместить эти два условия усилитель обычно выполняется в виде двух или более каскадов. При этом роль первого каскада состоит в максимальном снижении величины F_ш. А задача второго и последующих каскадов - получить требуемое значение К_р. Для достижения большей полосы в схемах усилителей широко используются цепи обратных связей.

Проектирование входных усилителей обычно основано на использовании измеренных S-параметров полевого транзистора. Проектирование МШУ связано с решением ряда дополнительных задач. В частности, для расчета шумовых характеристик усилителей необходимо знать шумовые параметры транзистора.

2.1.3 Методика проектирования МШУ

Сформулируем особенности проектирования МШУ. Как уже отмечалось, к основным характеристикам усилителей относятся зависимости от частоты коэффициента усиления К_р(f) и коэффициента шума F(f). Для расчета К_р(f) достаточно знать частотные зависимости S - параметров ПТШ и значения параметров (согласующих цепей) схемы усилителя. Для расчета F(f) этого недостаточно. Необходимо еще иметь шумовую модель ПТШ (рис.2б), которая основана на знании зависимостей от частоты четырех шумовых параметров ПТШ. В необходимости параллельно с электрическими характеристиками рассчитывать и шумовые состоит основная особенность проектирования малошумящих усилителей на ПТШ. На основании изложенного предлагается следующая методика проектирования МШУ:

1. Создание физической и математической модели ПТШ и расчет их параметров;

1. Для выбранного типа транзистора, включенного по схеме с общим истоком, и заданного режима его работы (напряжений на стоке и затворе) измеряются компоненты S - матрицы в диапазоне частот (f_н, f_к)

1.2. На основании типовой малосигнальной эквивалентной схемы ПТШ по измеренным S - параметрам восстанавливаются значения параметров эквивалентной схемы: ёмкости, индуктивности, сопротивления (рис.2а);

1. Измеряется ВАХ (выходная) - зависимость тока I от напряжений между стоком и истоком U_си при различных напряжениях на затворе U_зи и переходная ВАХ - I_с (U_зи). (рис.3);

1.4. С использованием измеренных ВАХ определяют параметры модели транзистора:

• полное сопротивление транзистора R_п - по омическому участку в выходной ВАХ (R_п=U_си/I_с);

• напряжение отсечки U_от - напряжения U_зи, при котором I_с=0;

• ток насыщения I_со - по ассимптотическому поведению ВАХ при больших значениях U_си и U_зи=0;

1.5. Создаются математические модели других элементов эквивалентной схемы транзистора, зависящие от напряжений, в частности емкостей С_зи и С_зс;

1.6. В рабочем диапазоне частот для выбранного режима работы ПТШ определяются шумовые параметры ПТШ: F_min, R_п, G_so, B_so;

2. Выбор структурной схемы усилителя;

3. Проведение схемотехнического проектирования усилителя на основании разработанной модели ПТШ и выбранной структурной схемы усилителя;

4. Осуществление топологического проектирования по результатам схемотехнического проектирования;

5. Изготовление усилителя, экспериментальное исследование его характеристик К_р(f), F(f) и других;

6. Коррекция физической и математической модели ПТШ структурной схемы или топологии усилителя, в случае, если расчетные и измеренные характеристики существенно различаются.

2.1.4 Разработка шумовой модели ПТШ

Рассмотрим отдельные этапы методики проектирования усилителей.

Для описания шумовых свойств СВЧ транзисторов широко используется система шумовых параметров, включающая минимальное значение коэффициента шума F_min, величину оптимальной комплексной проводимости на входе транзистора Y_so=G_so+jB_so, при которой F=F_min, и значение сопротивления R_п.

Существует несколько методов определения шумовых параметров транзисторов на СВЧ. Наибольшее распространение получил метод, основанный на использовании перестраиваемого трансформатора, включенного между входом измеряемого транзистора и шумовым генератором. Варьируя параметрами трансформатора, находят минимальную величину коэффициента шума F_min на частоте анализа f, а затем с помощью измерителя полных проводимостей определяют величину оптимальной проводимости Y_so=G_so+jB_so на этой частоте. Описанная процедура повторяется для других частот требуемого рабочего диапазона. К недостаткам можно отнести необходимость непосредственного измерения минимального значения коэффициента шума, что не всегда возможно достичь с помощью трансформаторов.

Ниже приведено описание метода определения шумовых параметров транзисторов, не требующего непосредственного измерения F_min.

Теоретическое обоснование метода основано на следующих представлениях.

Рассмотрим функциональную схему для измерений шумовых параметров, представленную на рис.4(а). Коэффициент шума транзистора на частоте f при произвольной нагрузке на входе транзистора Y_S = G_S + j B_S определяется из выражения:

(1)

Пусть Y_SI = G_SI +j B_SI – полные проводимости нескольких нагрузок ( i =1,2,3,4). Если провести n измерений величин F_SI ,G_SI ,B_SI ( i=1,2,3,…,n, где n4), то получим систему из n уравнений типа (1).

(2)

Путем замены переменных уравнение (2) удобно привести к линейному. Для этого сначала преобразуем его к виду: (3)

Введем новые параметры ( y_i, x_i, z_i ), связанные с измеренными величинами соотношениями:

, , , (4)

а также новые переменные, связанные с неизвестными переменными

 = R_п (G²_SO + B²_SO),  = R_п

 = -2R_п B_SO , _ = F_min-2R_п GSO (5)

Тогда система (3) приводится к системе линейных уравнений

 + y_i + z_i + x_i = F_i ( i 1,2,n) (6)

Выражения для неизвестных имеют вид

R_п =  , B_SO= -/2,

G_SO=(-4-)²/2, F_min=+(4-)^1/2 , (7)

где R_п ,B_SO, G_SO, F_min – неизвестные шумовые параметры.

Для решения системы (6) с неизвестными , , , , в принципе, достаточно взять четыре уравнения (n=4).

При этом решение может быть представлено в аналитическом виде:

 = (D₁₂₃A₁₂₄ – D₁₂₄A₁₂₃)/(C₁₂₃A₁₂₄ – C₁₂₄A₁₂₃),

 = - (D₁₂₃C₁₂₄ – D₁₂₄C₁₂₃ )/(C₁₂₃A₁₂₄ – C₁₂₄A₁₂₃),

 = F₂ – F₁ -  (x₂ –x₁) - (y₂ – y₁) / (z₂ – z₁),

 = F₁ - x₁ - y₁ - z_1, (8)

A_12k = z₁ ( y_k – y₂ ) + z₂ ( y₁ – y_k ) + z_k ( y₂ – y₁),

C_12k = z₁ ( x_k – x ₂ ) + z₂ ( x₁ – x_k ) + z_k ( x₂ – x ₁),

D_12k = z₁ ( F_k – F₂ ) + z₂ ( F₁ – F_k ) + z_k ( F₂ – F₁),

K = 3,4

Отметим, что решение ( 7) существует лишь при условии 4  ² (9), поскольку выражение для G_SO и F_min (7) содержат квадратный корень.

В предлагаемом методе, как, в, прочем, и в ранее известных, используются два вида аппаратуры: значения F_i определяются с помощью измерителя коэффициента шума (рис. 4а), а значения G_SI и B_SI – с помощью измерителя полных проводимостей (рис. 4б). При этом на обоих установках требуется провести как минимум четыре измерения, различающиеся значениями параметров F_i, G_SI, B_SI. Поскольку между генератором сигнала анализа ( шумового или СВЧ ) и исследуемым прибором ( транзистором ) включается трансформатор, то очень важно, чтобы при использовании обоих измерительных установок была осуществлена одинаковая трансформация электромагнитного поля. В таблице 1 приведены значения измеренных на частоте f = 10 ГГц параметров F_i , G_SI , B_Si для нескольких комбинаций элементов трансформаторов. Расчетные значения четырех шумовых параметров составили : F_min = 1,093 дБ, R_п = 33,8 Ом, G_SO = 0,013 См, B_SO = - 0,0183 См.

Результаты измерений коэффициентов шума и входных проводимостей для транзистора "Созвездие" (U = 5 В, U = - 2,6 В, I = 20 мА) на частоте 10 ГГц приведены в таблице 1.

В результате проведения аналогичных измерений частот были получены величины шумовых параметров в интервале частот от 7 до 10 ГГц (рис.5). При проектировании МШУ необходимо решить двуединую задачу: обеспечить минимальное значение коэффициента шума и максимальное значение коэффициента усиления. Традиционно такая задача является разрешимой, потому что решается путем использования двухкаскадной схемы усилителя, один из которых (входной) формирует минимальное значение коэффициента шума, другой (выходной) - максимальное усиление.

Между тем, весьма привлекательным видится решение и такой задачи: оставаясь в рамках двухтранзисторного усилителя, отказаться от каскадного включения транзисторов и в рамках нового схемотехнического решения найти такие оптимальные значения параметров схемы, при которых в широкой полосе достигалось и малое значение коэффициента шума и приемлемая величина коэффициента усиления.

Таблица 1.

i	Fi , дБ	GSI , Cм	BSI , См
1	2,564	19,07	- 2,35
2	2,479	18,9	- 3,5
3	2,369	18,48	- 4,97
4	2,244	17,68	- 6,68
5	2,072	17,06	- 8,99
6	1,851	14,44	- 10,18
7	1,622	12,41	- 11,3
8	1,401	10,5	- 11,8
9	3,407	11,79	4,11
10	2,678	11,21	1,76
11	2,319	11,29	- 1,27
12	1,993	12,16	- 4,01
13	1,925	14,11	- 6,85
14	2,447	21,63	- 10,11
15	2,888	26,73	- 8,86
16	3,352	31,84	- 2,46
17	3,844	20,19	10,82

2.1.5 Проектирование каскада МШУ

На рис.6 представлен вариант двухтранзисторной схемы усилителя. Сигнал СВЧ на входе разветвляется на два канала и поступает на затворы транзисторов. Истоки этих транзисторов заземлены через RC цепи. Выходные сигналы со стоков транзисторов складываются, причем, в стоковой цепи одного из транзисторов включена СВЧ- цепь, содержащая RLC контур и индуктивное сопротивление. По существу, эта цепь играет роль СВЧ-сумматора. Выходной СВЧ-сигнал подается на входы транзисторов, осуществляя обратную связь.

Для достижения требуемой полосы частот необходимо провести оптимизацию параметров схем. В процессе оптимизации рассчитывались и включались в функцию цепи как электрические, так и шумовые характеристики усилителя. На рис.7 изображены основные характеристики усилителя: К_р(f) и F(f), рассчитанные для оптимизированной схемы. Оптимизация проводилась по следующим параметрам: индуктивностям L₁, L₂, L₃; длинам 50-омных отрезков линий l₂ и l₃ и сопротивлению R₄. В результате были получены следующие значения этих переменных параметров: L₁=0,62 нГ, L₂=0,41нГ, L₃=2,25 нГ, R_п= 227Ом, l₃=1,19мм, l₂=0,17 мм. При оптимизации были достигнуты следующие параметры усилителя: полоса частот 7...10 ГГц; коэффициент усиления К_р более 9 дБ; неравномерность К_р не более 2 дБ; коэффициент шума 1,4

На основании проведенного проектирования была разработана топология гибридного усилителя, эскиз которого представлен на рис.8.

Аналогично может быть выполнено проектирование и других каскадов транзисторов усилителей.

При проектировании выходных усилителей мощности необходимо использовать нелинейные модели ПТШ, в которых параметры эквивалентной схемы кристалла транзистора (емкости и сопротивления) зависят от напряжений на участках схемы. Отметим также, что для выходных каскадов должен быть проведен тепловой расчет, поскольку на этих каскадах рассеивается мощность, способная существенно повысить температуру полупроводникового кристалла и вывести его из строя.

2.1.6Анализ тепловых моделей ГИС СВЧ различных конструкций

Несмотря на то, что выходная мощность усилительного модуля сравнительно невелика ( 30 мВт), последний каскад работает в электрическом режиме, при котором рассеиваемая мощность приводит к увеличению температуры полупроводникового кристалла, что в свою очередь влияет на параметры прибора в целом. Так увеличение температуры кристалла на 10⁰С приводит к росту подвижности носителей тока (электронов) и тока насыщения, а также к снижению напряжения отсечки полевых транзисторов с барьером Шотки. Выходная мощность и коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) при этом изменяется, что нежелательно для бортовой аппаратуры, в которой размещен усилительный модуль.

Кроме того важность решения тепловой задачи связана с тем обстоятельством, что в техническом задании даются предельные границы изменения окружающей среды (- 60⁰С…+85⁰С). Если усилительный модуль находится в температурном режиме +85⁰С, то температура элементов ГИС внутри него, как правило, на 40⁰С выше температуры корпуса, то есть температура полупроводникового кристалла в нерабочем состоянии может повышаться до 125⁰С. При работе усилительного модуля температура кристалла увеличивается.

Предельные температуры, при которых наступает тепловой пробой полупроводника, составляют 140⁰С…150⁰С.Таким образом при t_окр=125⁰ С даже небольшое увеличение температуры может привести к тепловому пробою прибора. Все это приводит к необходимости исследования температурных режимов модуля. Одним из направлений в решении тепловой проблемы является разработка конструкции ГИС СВЧ с кристаллами, расположенными в углублениях на лицевой стороне платы, обладающими лучшими электрическими способностями, теплорассеивающими и массо-габаритными характеристиками. В данном разделе рассматриваются тепловые модели двух конструкций ГИС СВЧ: с кристаллами на поверхности и с кристаллами в углублении на лицевой стороне платы.

Для количественной оценки и сравнения обоих вариантов конструкций ГИС при их изготовлении были использованы одинаковые материалы, которые обычно распространены в практике конструирования ГИС: в качестве материала основания использовался ковар (29 НК) с теплопроводностью =20 Вт/мк (ковар выбран из-за близости его КЛТР и КЛТР материала подложки платы); материалом подложки был выбран сапфир (монокристаллическая модификация Al₂O₃) с = 31,5 Вт/мк; связующее вещество – припой ПОС-61 с =390 Вт/мк; кристалл – арсенид галлия с =80 Вт/мк; соединительный проводник Cr-Cu-Ni-Au с =338 Вт/мк.

Тепловыделение в окружающую среду происходит в виде тепловых потоков с верхней и боковой поверхности кристалла, а также с контактных проводников, лицевой и боковой поверхностей подложки и боковой поверхности металлического основания (рис. 9), т. е. со всех частей, имеющих температуру выше, чем температура окружающей среды. Температуру окружающей среды и нижней части металлического основания примем равной 20⁰С. Теплообмен осуществляется посредством конвекции. Контактные проводники считаются пластинчатыми с толщиной 30 мкм, то есть двумерными. Расчеты тепловых полей в сечениях А, В, С были выполнены с помощью программы «Тепло» на ПЭВМ. Для расчета тепловых полей использовалась программа решения двумерной стационарной задачи теплопроводности, основанная на решении уравнения Лапласа методом конечных элементов.

На рис. 10 показаны рассчитанные тепловые поля в сечениях А (на поверхности подложки) и В (на поверхности кристалла). Здесь изображена четвертая часть теплового поля, что позволяет судить о полной картине поля в связи с его равномерностью и симметричностью.

При наличии соединительных проводников максимальный перегрев (от 6,12⁰С до 5,83⁰С) наблюдается на поверхности кристалла. На границе кристалл – связующее вещество перегрев составляет от 4,66⁰С до 4,35⁰С, что связано с отводом части тепла от кристалла за счет конвекции в окружающую среду и через соединительные проводники. На поверхности подложки температура перегрева составляет от 3,22⁰С до 4,5⁰С. Если удалить соединительные проводники, то температура перегрева на поверхности кристалла повышается до 6,39⁰С, т. е. становится больше, чем при наличии проводников, что обеспечивается отсутствием теплоотвода по выводам кристалла, имеющим высокую теплопроводность. Перегрев на границе кристалл – связующее вещество составляет 4,66⁰С, а на поверхности подложки практически не изменяется по сравнению с вариантом с соединительными проводниками.

Эскиз второй анализируемой конструкции приведен на рис. 11. Здесь кристалл располагается в углублении в подложке, а соединительные проводники лежат в плоскости поверхности подложки.

Расчетные тепловые поля для этого случая приведены на рис. 12. Перегрев температурного поля на поверхности кристалла составляет 1,91⁰С…2,3⁰С. При разрыве проводников максимальная температура увеличивается до 3,3⁰С. На границе кристалл – связующее вещество перегрев не превышает 1,81⁰С (рис. 12б).

Из проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

1. Температура перегрева на поверхности кристалла, лежащего на подложке, примерно в 2 – 3 раза больше температуры кристалла, углубленного кристалла полупроводника;

1. Через соединительные проводники отводится незначительная часть тепла;

2. Температурные поля от кристалла к периферии подложки существенно изменяются в конструкции с углубленным кристаллом.

2.2 Вывод

1. Проведен расчет основных параметров модуля: коэффициентов усиления К_р и шума F, потерь, мощности и т. п. Для каждого каскада. Показано, что для достижения заданных параметров: К_р = 30 дБ, F = 3 дБ, выходной мощности Р_вых = 30 мВт модуль должен состоять из пяти каскадов, причем первые два – малошумящие, а два последних – усилители мощности.

2. Разработана методика проектирования малошумящего каскада усилителя (МШУ), содержащая расчетные и экспериментальные этапы.

1. Предложен метод определения четырех параметров ПТШ, необходимых для построения шумовой модели транзистора. Суть метода заключается в измерении коэффициентов шума транзистора с включенными на его входе трансформатором при нескольких состояниях трансформатора и последующем расчете шумовых параметров F_min, R_п, G_SO, B_SO – из решений системы четырех уравнений. Проведены расчеты шумовых параметров для ПТШ типа «Созвездие».

2. Выбрана оригинальная схема МШУ, в которой первый транзистор реализует низкие шумы, а второй – высокий коэффициент усиления. Проведено схемотехническое проектирование усилителя и показано, что один каскад МШУ позволяет реализовать в диапазоне 7…10,5 ГГц следующие параметры: К_р = 9 дБ, F 1,6 дБ, неравномерность К_р  1 дБ.

3. Разработана топология каскада усилителя, выполненного на поликоровой подложке ( = 9,6) толщиной 0,5 мм с размерами 9 х 7,5 мм.

4. Проведен анализ тепловых моделей ГИС усилителя двух конструкций: при размещении кристалла ПТШ на подложке и с углублением кристалла ПТШ в подложку. Показано преимущество последнего способа перед первым по величине допустимого перегрева кристалла.

3. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Введение

Конструкторская часть дипломного проекта включает в себя следующие этапы разработки конструкции:

• сборку отдельных каскадов и в целом ГИС усилителя на основе разработанной в предыдущем разделе топологии усилителя;

• выбор типа корпуса для усилительного модуля;

• выбор материала корпуса;

• соединение ГИС с основанием;

• герметизацию корпуса;

• описание конструкции модуля.

3.2 Разработка ГИС усилителя

На основании топологии усилителя (рис. 8) был разработан гибридно – интегральный усилитель, выполненный на поликоровой подложке (рис. 13). Усилитель выполнен на двух поликоровых подложках толщиной h = 0,5 мм. На первой подложке расположены элементы входной части усилителя, на второй подложке – выходной части усилителя. Для обеспечения возможности подстройки схемы в топологию включены проводящие площадки прямоугольной или квадратной формы. Перемыкая площадки золотыми проводниками диаметром 30 мкм можно увеличивать или уменьшать длины микрополосковых шлейфов. Все резисторы, входящие в эквивалентную схему усилителя выполнены в планарном виде из металла с большим удельным сопротивлением – хрома. Для обеспечения возможности подстраивать сопротивления высокоомные планарные участки перемежевываются с проводящими участками из меди, покрытой золотом. Подстройка производится путем перемыкания этих проводящих участков золотыми проводниками. Конденсаторы С₁…С₄ сделаны навесными, объемными, состоящими из двух металлических пластинок с диэлектрической пленкой из ТаО или SiO₂ между ними. Такая конструкция конденсаторов позволяет реализовать емкости 50…200 пФ. Нижние обкладки конденсаторов соединены с металлическим основанием, на котором располагаются подложки, а верхние обкладки конденсаторов соединены со схемой золотыми проводниками. Транзисторы «Созвездие» выполнены на металлических подставках, которые привариваются к основанию. Электроды транзисторов соединяются с элементами схемы золотыми проводниками. Индуктивные элементы выполнены в виде отрезков золотых проводников длиной l и диаметром d. Величина индуктивности L связана с этими параметрами приближенным соотношением:

.

Микрополосковые линии на входе и выходе имеют ширину W = 0,5 мм, что соответствует волновому сопротивлению z₀ = 50 Ом.

3.3 Выбор типа корпуса для усилительного модуля

Усилительные модули для бортовой аппаратуры в последние годы выполняются в виде гибридных интегральных схем (ГИС) усилителей на полевых транзисторах с барьером Шотки, заключенных в герметичный корпус. Достоинство ГИС- малые массо-габаритные параметры и высокая надежность.

Корпус является узловым элементом модуля. Он оказывает существенное влияние на его работоспособность, надежность, долговечность, механическую и климатическую устойчивость и стоимость. Конструкция и технология изготовления корпуса определяют степень герметичности и ремонтопригодности модуля, а также уровень интеграции и массо-габаритные параметры модуля и бортовой РЭА в целом.

Обычно усилительные модули выпускаются небольшими сериями, при широкой номенклатуре, что требует в принципе, большого разнообразия конструктивных вариантов корпусов. В тоже время для изготовления необходимо применять универсальные методы, в противном случае трудоемкость изготовления модулей и ее стоимость будут в значительной степени определятся трудоемкостью и стоимостью изготовления корпуса, а не собственно ГИС усилителя. Кроме того, следует отметить, что влияет не только на электрические и эксплуатационные характеристики модуля, но и на выбор способа его сборки, монтажа и герметизации. Поэтому разработка конструкции корпуса усилительного модуля и технологии его изготовления является комплексной задачей, требующей одновременного решения проблем, которые зачастую предъявляют противоречивые требования, такие же как в конструктивном и технологическом плане.

Значительная часть выпускаемых в мире микросхем низкочастотного диапазона, изготавливается с использованием металлических, металлостеклянных и керамических корпусов. Положение с корпусами для модулей СВЧ существенно отличается от НЧ устройств. Во-первых, благодаря специфике модулей СВЧ, связанной с использованием коаксиальных выводов энергии, применяются в основном толстостенные корпуса. Во-вторых, размеры корпусов для СВЧ модулей таковы, что внутри корпуса могут возникать паразитные виды колебаний электромагнитных волн, влияющих на выходные параметры модуля. В-третьих, очень часто в модулях СВЧ используются ГИС с полупроводниковыми приборами открытого (некорпусированного) вида, что налагает жесткие условия на герметизацию всего модуля в целом.

В СВЧ модулях применяются, в основном, металлические корпуса. Из 85 типов усилительных модулей, выпускаемых американскими фирмами, почти три четверти изготовляются в металлических корпусах.

Конструктивно корпуса для модулей СВЧ имеют прямоугольную форму и могут быть разделены на три типа; рамочные, чашечные и пенальные.

Принципиальные схемы указанных конструкций корпусов приведены на рис.14.

В корпусах пенального типа (рис.14а) одна или несколько микрополосковых плат (МПП) располагаются и закрепляются на рамке (основании). На двух противоположных сторонах рамки закрепляются две стенки, служащие для закрепления НЧ и СВЧ соединителей. НЧ - соединитель - металлический штырь диаметром 1 мм, закрепленный в отверстии стенки корпуса с помощью изолятора.

СВЧ-соединитель - микрокоаксиал, впаянный в корпус.

Рамка с установленной платой (подложкой) и соединителями вставляется в кожух прямоугольной формы. При этом герметизация модуля проводится по торцу периметра в местах стыка кожуха и рамки. В качестве материала рамки и кожуха используется, как правило, титан или сплав - ковар, обладающие близкими по коэффициенту линейного термического расширения (КЛТР) значениями с материалом подложки.

К преимуществам корпусов пенального типа следует отнести возможность изготовления высокопроизводительными технологическими процессами - штамповкой и сваркой тонколистового материала.

Недостатком корпусов пенального типа является принципиальная невозможность создания надежного заземления по двум сторонам основания, параллельным образующей кожуха. Это ограничивает частотный диапазон работы модуля.

Корпуса пенального типа недостаточно жесткие. Кроме того, в них ввод и вывод СВЧ энергии может быть размещен только по двум противоположным сторонам.

Корпуса чашечного типа (рис.14б) представляют собой открытую с одной стороны коробку, на основании которой устанавливается плата. Эти корпуса обладают достаточной жесткостью конструкции и обеспечивают хорошую экранировку. К недостаткам их следует отнести возможность только одностороннего монтажа плат и сложности их установки.

Корпус рамочного типа (рис.14в) представляет собой открытую с двух сторон рамку, в стенках которой устанавливаются НЧ и СВЧ соединители. Обычно толщина стенок этих корпусов составляет 2-3 мм, что придает им достаточную жесткость и прочность. МПП крепятся непосредственно или через переходную рамку к внутренним рамкам корпуса.

Рамочный корпус позволяет за счет возможности двухстороннего монтажа достичь высокой интеграции. Такая конструкция упрощает сборку, монтаж, ремонт и реставрацию платы.

На основании проведения всестороннего анализа, для усилительного модуля был выбран корпус рамочного типа, по следующим соображениям:

1. Рабочие частоты модуля (7...10 ГГц) достаточно высокие, а потому все соединения между элементами корпуса должны обеспечивать хорошую экранировку. В корпусе рамочного типа число таких соединений небольшое;

2. Усилительный модуль имеет высокую степень интеграции и вся ГИС усилителя может выполнятся на двух поверхностях подложки;

3. Модуль предназначен для использования в бортовой аппаратуре, поэтому он должен иметь высокую вибростойкость и надежный теплоотвод от кристалла, полупроводника, что обеспечивает корпус рамочного типа;

4. СВЧ- соединители должны быть плотно вмонтированы в стенки корпуса, для предотвращения натекания (расгерметизации) корпуса.

5. Модуль имеет достаточно высокое значение коэффициента усиления (К_р>0 дБ), что требует использования в нем многокаскадной схемы усилителя с числом каскадов более 5. Поскольку каскады однотипные и выходная мощность невелика, то усилительный модуль набирается из 5 одинаковых каскадов. Такая конструкция модуля имеет существенные преимущества перед цельной 5-каскадной схемой, поскольку настройка одного каскада менее трудоемка, а изготовление каскадов может вестись крупными партиями, что снижает стоимость модуля.

С другой стороны каскады должны быть жестко соединены друг с другом, что наиболее удобно делать в корпусе на одном металлическом основании. Для крепления каскадов помимо пайки можно использовать и механическое крепление микровинтами.

3.4. Выбор материала корпуса

Выбор материала корпуса делается на основании следующих требований, предъявляемых к материалу:

- минимальный вес;

- коррозионная стойкость;

- минимальный КЛТР, соизмеримый с КЛТР материала подложки;

- высокие электро- и теплопроводность;

- технологичность механической обработки.

В таблице 2 приведены параметры наиболее распространенных конструкционных материалов для корпусов и подложек.

Анализ таблицы 2 показывает, что наилучшими тепловыми параметрами обладают титан и ковар. Их теплопроводность (~ 20 Вт/мград) наиболее близка к теплопроводности поликора (25 Вт/мград)и по КЛТР эти материалы близки друг к другу. Единственный недостаток ковара его плотность, примерно в 2 раза больше плотности титана и 3 раза больше плотности алюминия.

В последние годы все больше внимания разработчиков привлекает – нитрид алюминия. Его теплопроводность равна 160 Вт/град, что сопоставимо с алюминиевыми сплавами (дюралью). Если в качестве подожки ГИС усилителя выбрать нитрид алюминия, то такую подложку целесообразно размещать в корпусе из сплавов алюминия. Такая конструкция модуля позволяет в 3 раза уменьшить вес модуля.

Таблица 2.

	Материал	Диэлектрическая проницаемость на частоте 10 ГГц, при темпе ратуре 200С	Плотность 103кг/м3	Коэффициент теплопроводности при температуре 200С, Вт/мград	КЛТР при температуре от 200С до 2000С, 10-7 1/град
Материал для МПП	Поликор	9,8	4	25	75
Сапфир	9,6	4,1	31,5	20
Ситал	10	3,19	1,045	32
Керамика	9,2	3,86	13,1	60
Материал для корпусов	Конструкционные стали	-	7,8	46	110
Ковар 29 НК	-	8,2	20	48
Алюминиевые сплавы	-	2,78	170	225
Медные сплавы	-	8,5	110	200
Медь	-	8,89	370	170
Титан	-	4,4	21,9	83
Прессматериал АГ - 4	-	1,9	0,25	130
Материал для полупровод-никовых кристаллов	Кремний	11,8	2,3	84	42
Германий	16	5,3	58	57
Арсенид галлия	12,5	5,3	50 (80)	52
Алмаз	5,7	3,5	2000	12

3.5 Соединение микросхем с основанием

В последние годы для соединения микросхем с основанием широко применяется способ вибрационной пайки на воздухе, в которой либо используется, либо не используется флюс. Этот способ пайки заключается в сообщении одной из соединяемых деталей механических низкочастотных или ультразвуковых колебаний (возвратно – поступательных перемещений) относительно другой неподвижной детали сразу после расплавления припоя. 21.

Для обеспечения флюсовой вибрационной пайки на воздухе используют коррозионно – активные флюсы, например, ФТС. При этом пайку проводят припоями типа ПОС-61 никелированных им медненных деталей без нанесения легкоплавких покрытий на основе олова или индия. Однако это нежелательно из-за трудности удаления остатков флюса из паянного шва ряда соединений, например, плат микросхем с металлическим основанием.

В работе 21 был предложен способ применения в качестве флюса некоррозионно-активных органических водорастворимых жидкостей, например, глицерина. Считалось, что глицерин является химически нейтральной жидкостью и не удаляет окисные пленки с паяемых поверхностей. Авторы доказали, что глицерин применим в качестве для соединения поликоровых или сапфировых плат микросхем с коваровым или титановым основанием путем вибрационной пайки на воздухе припоем ПОС-61.

В качестве образцов плат применяли поликоровые подложки, на которые с одной стороны наносили металлические покрытия типа хром – медь - никель -золото толщиной 0,025 мкм - 5 мкм – 0,4 мкм – 0,4 мкм соответственно.

Металлическим основанием служили коваровые или титановые пластины толщиной 1 мм (рис.15) с никелевым покрытием. Готовый полностью расплавляемый припой ПОС-61 использовался в виде навесок (шариков) диаметром 2-3 мм, расположенных в отверстиях основания. Глицерин наносили непосредственно на паяемые поверхности. Пайку проводили на воздухе путем нагрева оснастки с собранными деталями на столике нагревателя до 190…200⁰С.

Вибрацию в процессе пайки осуществляли после расплавления припоя путем сообщения основанию механических колебаний относительно неподвижной поликоровой платы вручную с частотой 1-2 Гц с амплитудой перемещения 0,05…0,2 мм. Время притирки пластины к подложке не превышало 2 минут. После окончания вибрации (притирки) на соединяемые детали накладывали давление  = 0,02…0,03 кг/см³ с помощью грузика и охлаждали до комнатной температуры.

Оценку надежности паяных соединений проводили путем термоциклирования: охлаждения в жидком азоте до –196⁰С за 1-2 минуты – нагрев до +100⁰С на электроплитке за 3-5 минут. Паяные соединения подвергали испытанию на влагоустойчивость в течении 21 суток при t = 40⁰С и относительной влажности 95…98%.

Более подробно этот способ будет описан в технологическом разделе дипломной работы.

3.6 Оптимизация размеров корпуса модуля

Поскольку составляющая массы корпуса в общем массе модуля велика, то в работе проведены работы с целью максимального снижения массы корпуса. Во-первых, было показано, что толщина стенок корпуса может быть снижена до 2 мм, а в местах подключения к модулю СВЧ - разъемов сделаны расширения до 5 мм для возможности посадки в эти места коаксиально-микрополосковых переходов типа ТС 2.236.061 с внешним диаметром 6 мм (М6). Во–вторых, ширина микрополосковых плат была уменьшена до размеров L = 9 мм.

В-третьих, высота корпуса была снижена до 4 мм, поскольку ширина внутренней части корпуса составляет 7 мм, то получившийся волновод является запредельным, т. е. в нем не распространяются « паразитные» типы волн.

3.7 Герметизация СВЧ модуля

Надежность микросхем в процессе работы и при хранении в значительной степени определяется герметичностью корпуса микросборок. Герметизацию проводят для полной изоляции элементов микросхемы и электрических соединений от контакта с окружающей средой, всегда содержащей влагу и другие химически активные компоненты, способные вызвать постепенные отказы. Окружающий воздух практически всегда представляет собой паровоздушную смесь. Проникая к активным частям микросхемы, влага растворяет газы и загрязнения и образует в условиях электрических полей электролитические пары. В свою очередь, это приводит к возникновению отказов, выражающихся в шунтирующих утечках, коротких замыканиях и обрывах.

Воздействие на изделие одного и тем более одновременно нескольких климатических факторов очень усложняет проблему обеспечения его высокой надежности. Поэтому повышение надежности РЭА неразрывно связано с разработкой эффективных способов ее герметизации.

При выборе и разработке способа герметизации обычно решаются две задачи, а именно: обеспечивается защита РЭА от дестабилизирующего воздействия климатических факторов атмосферы и одновременно исключается возможное дестабилизирующее влияние самого герметизирующего материала или материалов конструкционных элементов на изделие.

Наиболее распространенным методом герметизации СВЧ модулей в металлических толстостенных корпусах является пайка их элементов (крышек и оснований) с помощью низкотемпературных припоев с применением жидких флюсов. При этом откачка и наполнение внутриприборного объема инертным газом осуществляется индивидуально для каждой микросборки на откачных постах через специально предусмотренную в каждом модуле откачную трубочку (штенгель), которая впоследствии герметизируется (пережимается механически, запаивается, сваривается и т. д.). 23.

Указанный вид герметизации универсальный. Однако, как показала практика, это нестабильный и трудоемкий процесс, имеющий ряд недостатков, и, прежде всего, из-за наличия штенгеля. Штенгельная откачка, как правило, трудоемкая операция.

Наиболее перспективным методом герметизации СВЧ модулей является микроплазменная сварка плавлением. При этом герметизация модуля совмещена с бесштенгельной откачкой и наполнением инертным газом в едином технологическом процессе, который предусматривает эвакуацию воздуха из внутреннего объема модуля, его наполнение инертным газом с последующей герметизацией методом сварки.

Откачка и наполнение объема проводятся одновременно в подколпачном устройстве модернизированной установки типа УКСМ-3М через специально предусмотренные между крышкой и корпусом откачные отверстия, впоследствии заваренные при герметизации последнего шва модуля до вскрытия камеры установки.

Экспериментально было установлено, что наиболее удобной формой откачных отверстий является прямоугольная проточка на торцевой поверхности основания корпуса с размерами 2х2х0,3 мм, которая при соединении корпуса с крышкой образует прямоугольное отверстие. Выбранная форма и размеры проточки позволяют проводить качественную сварку кромок элементов корпуса с последующим вскрытием модуля и повторной ее герметизации сваркой.

3.8 Оптимизация времени бесштенгельной откачки

С целью определения количества откачных отверстий и уточнения их геометрических размеров проведем оценку основных характеристик, определяющих время установления равновесного давления (пропускной способности откачного отверстия), быстроты и длительности откачки. Рассмотрим схему откачной системы, приведенную на рис. 16. Откачиваемый объем 1 соединенен с вакуумным насосом 3 с помощью вакуумопровода 2, имеющего длину L и диаметр d. Допустим, что температура откачиваемого газа постоянная, а вакуумная система не натекает и внутри нее нет газовыделения. Поскольку площадь оптимального прямоугольного отверстия 2 х 0,3 = 0,6 мм², то эквивалентное ему по площади круглое отверстие будет иметь диаметр d = 0,87 мм. Длина трубопровода равна толщине стенки корпуса L = 2 мм. Откачка воздуха из объема 1 производится от атмосферного давления (760 мм рт. ст. до 10^-1 мм рт. ст.) с помощью форвакуумного насоса ВН-461М с быстродействием S_н = 0,86 л/с с предельным вакуумом 10^-3 мм рт. ст.

Средняя длина свободного пути молекул газа  обратно пропорциональна молекулярной концентрации газа N₁:

,

где  - диаметр молекулы, см;

Т – абсолютная температура газа, ⁰С;

С – постоянная, зависящая от рода газа.

При постоянной температуре:

,

где Р – давление, ₁ – коэффициент, численно равный длине свободного пути молекул газа при давлении, равном единице.

Для воздуха при Т = 20⁰С, ₁ = 4,7210^-5 м, а Р₁ будет изменяться от Р_1 = 7,6  10² мм рт. ст. до Р_1 = 10^-1 мм рт. ст. Среднее давление в трубопроводе будет составлять Р₁/2. Следовательно Р = 3,8  10², а Р = 0,05. Поэтому

Отношения /d составляют:

При /d  510^-3 режим течения будет вязкий, а при /d  1 – молекулярный.

Определим пропускную способность трубопровода для молекулярного режима, которая равна:

Длительность откачки определяется зависимостью:

При U_{M }S_H формула упрощается:

Отсюда,

Для V = 20 см³ имеем:

Зависимость t от V изображена на рис. 17.

3.9 Конструкция модуля

Для построения модуля выбрана 5-каскадная схема из балансных и небалансных каскадов, выполненных на единой поликоровой подложке и одиночные балансные каскады, настраиваемые по минимуму шума и по максимуму мощности для входных и выходных каскадов (рис. 18).

В модуле применяются миниатюрные разделительные конденсаторы на основе окиси кремния, в цепи питания истока. Конденсаторы выделяют малые потери вплоть до 17 ГГц. Поликоровые платы припаиваются на коваровые или титановые основания. Основание покрыто никелем - 6 мкм и олово-висмутом - 3 мкм и спаяно с микросхемами припоем ПОС-61 при t = 200⁰С.

Каждая плата проверяется по параметрам в держателе для микросхемы. Конструкция основания позволяет независимо от пайки обеспечить хорошее заземление по СВЧ.

Конструктивно модуль состоит из платы (ограничителя), однокаскадная плата, настроенная по минимальному коэффициенту шума и 5 – каскадный усилитель платы. Если 5 – каскадная плата позволяет получить требуемые параметры, то возможна компоновка модуля без однокаскадной платы (ограничительная плата, 5 – каскадная плата, 50 – омная линия). Все платы укрепляются винтами в корпусе. Выводы питания и СВЧ – выводы впаиваются в корпус при t = 150⁰С припоем ПОС-61. Герметичный СВЧ – вывод, применяемый в модуле, обеспечивает КСВН, не более 1,4 во всем диапазоне частот.

Отдельные платы и СВЧ – выводы соединены через золотые лепестки сваркой. С экранированной стороны все платы соединены между собой лепестками, которые припаиваются к основанию микросхемы, а крайние платы– к корпусу. Выводы питания размещаются в нижней части корпуса. Для нормальной работы усилителя напряжение между стоком и истоком транзистора должно быть +2,5 В. Напряжение +9 В подается на сток транзистора через микросхему, которая обеспечивает стабильное напряжение  2 %. Собранный модуль проверяется и настраивается по основным параметрам: коэффициент усиления, КСВН, неравномерность КУ.

В усилительных каскадах использовались полевые транзисторы типа «Полет» и «Созвездие». Транзистор является арсенид – галлиевым транзистором с каналом n-типа, с барьером Шотки. Для усиления КУ необходимо использовать несколько усилительных каскадов. Основная трудность каскадирования состоит в опасности самовозбуждения усилителей на частоте, где коэффициент устойчивости К I. Поэтому при каскадировании усилительных каскадов необходимо принимать специальные меры для уменьшения обратной связи между транзисторами.

3.10 Характеристики усилительного модуля

3.10. 1 Защитное устройство на ограничительных диодах

Для увеличения предельно допустимой входной мощности в модуле применяется защитное устройство на ограничительных диодах типа «Параграф», параллельно включенных в 50-омную линию, выполненную на поликоровой подложке толщиной 0,5 мм. Микроплата ограничительного устройства имеет определенные размеры. При малом сигнале выбранная схема согласования позволяет получить потери не более 0,8 дБ (рис.19). Ограничение составляет 15 дБ при уровне непрерывной входной мощности 2 Вт.

Для лучшего согласования целесообразно производить отбор диодов с величиной емкости не менее 0,35 пФ и с резким увеличением на диод U=0,4 Вт, что обеспечивает лучшие ограничивающие свойства.

Разработанный ограничитель на диодах исследован на воздействие импульсной мощности 15 Вт при длительных импульсах 1 мкс и частоте повторений 10 ГГц. Как следует из результатов исследования, время восстановления после воздействия импульса составляет 100-200нс.

3.10.2 Температурная зависимость КУ усилительного модуля

Температурная устойчивость усилителя была проверена в диапазоне температур –60⁰С  +85⁰С. Результаты исследования приведены на рис. 20, Из него следует, что при изменении температуры от –60⁰С до +85⁰С КУ изменяется на 6 дБ.

3.10.3Надежность модуля

Модуль отвечает требованиям, предъявляемым к аппаратуре наземного и бортового, самолетного применения. Надежность прибора обеспечивается надежностью его узлов и деталей, малым количеством навесных элементов.

3.11 Вывод

1. На основании разработанной в предыдущем разделе топологии каскада усилителя предложена ГИС, состоящая из двух поликоровых плат, на которых размещены пассивные элементы каскада (планарные резисторы и навесные емкости), соединенные между собой золотыми проволочками. Платы разнесены на металлическом основании, а в зазоре между ними устанавливаются кристаллы полевых транзисторов и навесные емкости. Такая конструкция позволяет сравнительно просто осуществить сборку каскада и обеспечить необходимый тепловой режим выходных каскадов модуля.

2. Обоснован выбор типа корпуса для усилительного модуля. Из трех рассмотренных типов (пенального, чашечного, рамочного) выбран рамочный корпус, позволяющий, в частности, за счет двухстороннего монтажа достичь высокой степени интеграции, упростить сборку, монтаж, ремонт и реставрацию модуля.

3. Обоснован выбор материала для корпуса. Показано, что комплекс параметров, предъявляемых к модулям, расположенным на бортовых системах, удовлетворяет материал – титан. Титан имеет тепловые параметры, близкие к теплопроводности и КЛТР поликора, его плотность в 2 раза меньше плотности ковара.

4. Предложен способ соединения гибридных интегральных схем с металлическим основанием, сочетающий в себе преимущества вибрационной пайки и использование в качестве флюса некоррозионно – активных органических водорастворимых жидкостей, например, глицерина.

5. Проведен выбор способа герметизации модуля, сочетающий в себе микроплазменную сварку плавлением и бесштенгельную откачку и наполнение модуля инертным газом. Выполнена оптимизация времени бесштенгельной откачки. Показано, что для откачки модуля объемом 20 см³ требуется не более 2,5 минут.

6. Приведено описание конструкции модуля, содержащего на входе защитное устройство (ЗУ) на ограничительных диодах, два входных каскада малошумящих усилителей, на ПТШ типа «Созвездие», средний каскад и два выходных каскада усилителей мощности на ПТШ типа «Полет». Такая конструкция позволяет в диапазоне 7…10 ГГц реализовать К_р = 30 дБ, F = 3 дБ, Р_вых = 30 мВт и ограничить предельно допустимую мощность на входе в 1 Вт.

7. Приведены результаты экспериментального исследования как отдельных блоков, так и модуля в целом. Показано, что потери в ЗУ не превышают 0,8 дБ, а затухание получается более 15 дБ во всей рабочей полосе частот. Коэффициент усиления всего модуля при изменении температуры в пределах –60⁰С…+85⁰С изменяется на 6 дБ, но при этом всегда 30 дБ.

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1 Введение

Технологическая часть дипломного проекта включает в себя описание технологического процесса изготовления усилительного модуля на полевых транзисторах с пониженными габаритно–весовыми параметрами и с улучшенными теплопроводными свойствами.

Снижение габаритно-весовых параметров достигается путем использования рамочной конструкции модуля, изготовленной из полосок листового титана методом микроплазменной сварки.

Для соединения микросхем усилительного модуля с основанием корпуса используется вибрационная пайка с применением глицерина.

4.2 Особенности процесса сварки титана

Титан обладает высокой химической активностью при нагревании и расплавлении в контакте с окружающей газовой средой. Это создает особенности процесса сварки титана.

При температуре выше 500⁰С титан практически связывает кислород, углекислый газ, пары воды и азот. Эти газы не только образуют с титаном химические соединения, но и проникают во внутрь кристаллической решетки и могут быть удалены лишь при нагревании до 1600⁰С в вакууме или в среде инертного газа.

Инертные газы (аргон, гелий и др.) титаном не связываются. Поэтому в целях защиты сварных швов от воздействия газов воздушной атмосферы сварку титана проводят в среде инертных газов. При этом особое внимание уделяется чистоте инертных газов. Так аргон и гелий должны содержать кислорода и азота не более 0,007% и 0,008% от общего объема. Содержание водорода не должно превышать 0,01 г/м³. При таких условиях сварные швы будут обладать необходимой твердостью и пластичностью, и хорошо обрабатываться.

Для обеспечения хорошей обрабатываемости необходимо ограничивать содержание вредных примесей – газов и углерода:

• в титане марки ВТ - 00 для О₂- до 0,1% ; N₂- до 0,04% ; Н₂-до 0,008%; С- до 0,05% ;

• в титане марки ВТ 1 – 0 для О₂- до 0,12% ; N₂- до 0,04% ; Н₂-до 0,01% ; С- до 0,07%.

Отметим также, что кислород и азот, содержащиеся в защитном газе связываются в активной зоне парами металлического титана с образованием TiO и нитридов и удаляются потоком инертного газа из зоны расплавленного металла. Вода при высоко – температурном воздействии дуги диссоциирует на атомарные кислород и водород.

Кислород связывается парами титана и удаляется из зоны расплава, а водород частично связывается титаном, главным образом у поверхности расплава. В самом сварном шве водорода бывает меньше, чем в титане, не подверженном термическому воздействию.

Эффективность защиты и качество сварного шва в конечном счете определяются чистотой инертных газов, их скоростью поступления в активные зоны сварки, температурой и скоростью процесса сварки (временем взаимодействия), качеством подготовки поверхностей заготовок перед сваркой и другими факторами.

Сплавы ВТ-1, ВТ1-00, ОТ4, ВТ5-1, ВТ5 мало чувствительны к изменению режимов сварки.

4.3 Технология изготовления сварных рамок корпусов

Сварка рамок из полосок листового титана производится с помощью

установки микроплазменной сварки типа МПУ-4.

Процесс подачи защитного газа при сварке уголка из двух полосок титана показан на рис. 21.

Свариваемые заготовки 1 прижимаются к сердечнику 3 прижимными планками 2. При этом торец одной из заготовок выступает за плоскость другой на 0,6…1мм и предназначен для формирования прочного валика сварного шва.

Для защиты корня шва от контакта с воздухом в сердечнике имеются отверстия 4 с рядом каналов, подводящих защитный газ к корню шва. Для защиты сварного при его остывании применяется специальная камера 5 , в которую подается защитный газ. Камера закрепляется на горелке. В дне камеры имеется ряд отверстий, обеспечивающих равномерную подачу газа на сварной шов.

Для рамок односекционных корпусов размерами от 24х15 мм до 48х60 мм используются оправки, которые имеют прямоугольный сердечник из титана, задающий внутренний размер рамки. В процессе сборки перед сваркой все заготовки плотно прижимаются к сторонам сердечника, после чего производится сварка последовательно по четырем углам рамки (рис. 22).

Для получения равномерного гладкого шва оправка с заготовками закрепляется в специальном держателе, который перемещается с постоянной скоростью относительно неподвижной горелки с помощью механизма перемещения.

Режимы сварки контролируются и устанавливаются путем изменения скорости движения каретки механизма перемещения (время сварки), величины тока сварки, расстояния между горелкой и свариваемым изделием, расхода плазмообразующего и защитного газа. В качестве плазмообразующего газа применяется аргон, в качестве защитного – гелий.

В результате проведенных исследований выбраны следующие режимы сварки рамок:

• ток сварки прямой полярности 28…30 А ;

• режим подачи тока – непрерывный ;

• расход плазмообразующего газа 0,35…0,4 л/мин ;

• расход защитного газа ;

• в горелке 10…11 л/мин ;

• в защитном устройстве 1,2…1,5 л/мин ;

• в корне шва 3…4 л/мин ;

• скорость сварки 1…1,2 мм/с ;

• расстояние между соплом горелки и свариваемым элементом 1,2…2 мм.

Сварные швы на углах рамки имели серебристый блестящий вид, что свидетельствует о их эффективной защите от атмосферы воздуха (рис. 23). Поверхность швов плотная по всей длине без прожогов, трещин и видимых пор. Корень шва прожилен по всей длине. Иногда расплав титана выступает в корне шва, образуя мениск с радиусом 0,2…0,3 мм.

Твердость шва зависит от его цвета (рис. 23). Слишком большая твердость затрудняет дальнейшую обработку корпуса. Поэтому стараются снизить твердость до твердости исходного материала. Если шов имеет цвет от серебристо-белого до золотого, то можно используя вакуумный отжиг, снизить твердость до уровня исходного материала. Отжиг окисленных швов (синий, фиолетовый цвет) существенно не изменяет твердость шва.

Разброс размеров сварных рамок после механической обработки не превышал 0,3 мм.

Следует отметить, что для установки МПУ-4 ток сварки 30 А является максимальным. Эта установка предназначена для сварки титана толщиной 1,5 мм. Если толщина свариваемой заготовки больше 2 мм, то сварку производят с применением фольги другого металла, которая помещается между свариваемыми заготовками. В процессе сварки фольга расплавляется и образует с титаном новый сплав с более низкой температурой плавления. Применяется фольга из серебра (толщина 60 мкм), никеля (толщина 20 мкм), сплава серебро-медь (ПСр72; 40 мкм), сплава медь-никель (ФНМ25;15 мкм).

Технология изготовления других элементов корпуса: крышек и перегородок аналогична описанной ниже технологии.

4.4 Технологическая схема изготовления рамочного корпуса

1. Вырубка полосок на гильотине с припуском материала по 0,5…1 мм на каждую сторону

2. Фрезерование полосок групповым способом по 20..30 шт. в пакете на станках типа 675 П

3. Снятие заусенцев

4. Химическая очистка (обезжиривание)

5. Сварка рамки из полосок

6. Отжиг сварной рамки. Производится для снятия внутренних напряжений

7. Фрезерование торцов рамки в размер по высоте

8. Фрезерование наружных пазов по периметру рамки

9. Сверление отверстий под НЧ и СВЧ соединители. Применяются специальные метчики из сталей Р18 и Р9Ф5

10. Снятие заусенцев

11. Нарезание резьбы в отверстиях

12. Нанесение серебряного (никелевого) покрытия

4.5 Сборка микрополосковых плат

4.5.1 Оборудование и технологическая оснастка

Таблица 3.

Оборудование и тех. оснастка	Обозначение
Установка	ЭХ-19-15
Заземлитель стат. зарядов	840-ЭИ-7605
Пробник	ТТ-1
Оправка для формовки выводов транзистора	632.493
Оправка для крепления транзисторов на плате	311.660
Пинцет прямой любой длины	МН 500-60
Ножницы медицинские прямые	ГОСТ 21.239-74
Игла монтажная
Тара	84-ЭИ-010

1. Сборочные единицы для сборки МПП

Таблица 4.

Сборочные единицы	Обозначение
Транзисторы
Конденсаторы, покрытые Sn-Bi
Фольга, облуженная припоем ПОС-61 с одной стороны
Припой	ПОС-61
Спирт этиловый ректификованный, технический	ГОСТ 18300-72
Ткань х/б, батист отбеленный, салфетка, размер 100х100 мм	ГОСТ 8474-80
Бязь х/б, отбеленная, салфетка размером 100х100 мм	ГОСТ11680-76
Напальчники резиновые	Тип II, вид Б №4
Чипы, покрытые Sn-Bi

4.5.3 Операционная карта сборки, пайки транзисторов и чип-конденсаторов, перемычек к платам.

1. Подготовка рабочего места

1. Протереть рабочую поверхность установки салфеткой из бязи, смоченную водой;

2. Расположить чертежи на ГИС , детали, материалы и инструмент в порядке, удобном для рабочего. На рабочем месте не должно быть посторонних предметов, затрудняющих выполнение данной операции;

3. Включить паяльник. Установить температуру жала паяльника 230⁰С с помощью регулятора напряжения по шкалам на блоке питания;

4. Включить электроплитку. Установить температуру 80⁰С  5⁰С на блоке - регулировки;

5. Заземлить оправку для крепления транзисторов и оправку для формовки выводов транзисторов;

6. Протереть инструменты салфеткой, смоченной спиртом;

7. Надеть напальчники и все указанные в ТП переходы выполнить.

4.6 Технологический процесс сборки МПП

1. Надеть заземлитель статистических зарядов на руку;

2. Протереть плату батистом, смоченным в спирте;

3. Нанести капельки глицерина на контактные площадки выводов транзисторов, с помощью монтажной иглы;

4. Поместить плату на электроплитку;

5. Облудить контактные площадки припоем с помощью паяльника;

6. Снять плату с электроплитки;

7. Установить температуру электроплитки на блоке регулировки 80⁰С5⁰С;

8. Перевернуть плату вверх основанием , помещенной на плитке;

9) Припаять чип ;

10) Повторить переход 9) данного ТП для монтажа остальных чипов на микросхеме, согласно чертежу;

11) Снять плату с электроплитки и поместить ее в оправку для крепления транзисторов;

12) Сформовать выводы транзистора согласно чертежу с помощью оправки для формовки выводов транзистора;

13) Вставить пинцетом корпус транзистора в отверстие в плате так, чтобы выводы транзисторов легли на контактные площадки согласно чертежу на ГИС;

14) Повторить переходы 12-13 для остальных транзисторов;

15) Закрепить транзисторы на плате в оправке с помощью отверстия; 16) Поместить плату в оправке на электроплитку, нагретую до температуры 80⁰С;

17) Припаять выводы затвора и стока транзистора с контактной площадки;

18) Перевернуть плату на электроплитке вверх основанием;

19) Приварить золотые лепестки истока к транзистору ;

20) Повторить переходы 17-19 для остальных транзисторов;

1. Нарезать ножницами фольгу размером 1х3 мм;

22) Поместить пинцетом фольгу на чип и транзистор, облуженной стороной вниз, согласно чертежу;

23) Припаять фольгу в 2-3 точках на чипе и транзисторе;

24) Повторить переходы 22-23 для остальных транзисторов;

25) Снять плату с электроплитки;

26) Вынуть плату из оправки с помощью отвертки;

27) Проверить пробником контактирование истока с землей на отсутствие КЗ;

28) Положить сборочную единицу в тару;

29) Сделать отметку в сопроводительном листе о выполненной работе и передать на следующую операцию.

4.7 Вибрационная пайка МПП усилителя к основанию с использованием глицерина

Вибрационная пайка на воздухе широко применяется для соединения деталей и узлов изделий электронной техники. Этот способ заключается в сообщении одной из соединяемых деталей механических низкочастотных или ультразвуковых колебаний (возвратно-поступательных перемещений) относительно другой неподвижной детали сразу после расплавления припоя.

Припои ПОС-61 и ПОСК 50-18 хорошо смачивают покрытые глицерином неокисленные пленки из меди, никеля, сплава, олово-висмут практически сразу после расплавления. Так, краевой угол смачивания никелевого, медного и олово-висмутого покрытий припоем ПОС-61 в среде глицерина составляет при температуре 200⁰С соответственно 36,37,18-20 и 0⁰С. Причем замечено, что пары глицерина, образующиеся в процессе пайки, защищают от окисления поверхности соединяемых деталей, не покрытые глицерином.

Смачивание припоем окисленного на воздухе покрытия хром-медь происходит через определенный промежуток времени, зависящий от толщины окисной пленки. Медный слой покрытия, окисленный при 200⁰С в течении 2 минут, хорошо смачивается припоем ПОС-61 через 0,5-1 минуту. Смачивание медного слоя покрытия происходит благодаря удалению окисной пленки с участка медного слоя, лежащего под каплей глицерина (рис.24). Момент полного удаления окисной пленки легко определяется визуально по осветлению участка медного слоя, находящегося под слоем глицерина. С помощью микроскопа МИИ-4 также установлено, что глубина удаления окисной пленки равна её толщине.

Наличие навесок легкоплавкого припоя в капле глицерина увеличивает скорость удаления окисной пленки с медного слоя покрытия более чем в 2 раза по сравнению с чистым глицерином. Причем удаление окисной пленки происходит в первую очередь под навеской припоя в зоне, ближайшей к навеске. Аналогичное действие оказывает и введение в глицерин навесок свинца, его сплавов или окиси свинца PbO. Микродобавка окиси свинца, растворенная в глицерине, увеличивает скорость удаления окисной пленки по сравнению с чистым глицерином не менее чем в 2-3 раза. Так , в случае глицерина с добавкой PbO формирование припоя ПОС-61 с краевым углом менее 90⁰С на медном слое покрытия (рис.24) происходит через 10-15 с после расплавления припоя.

Никелевый слой покрытия Cr-Cu-Ni, окисленный при 200⁰С в течении 2 мин, смачивается припоем ПОС-61 в среде чистого глицерина через несколько секунд после расплавления припоя. Более быстрое смачивание никелевого слоя по сравнению с медным можно объяснить меньшей толщиной окисной пленки на слое никеля, металла более устойчивого к окислению на воздухе, чем медь при прочих равных условиях.

Удаление окисной пленки с участка металлического слоя, покрытого глицерином, происходит благодаря взаимодействию глицерина с окислом металла (Cu₂O , Cu и др.), в результате которого образуются глицераты.

Пайка с использованием глицерина (или триэтаноламина) в качестве флюса должна осуществляться на монтажно-сборочных столах, оборудованных местной вытяжной вентиляцией.

4.8 Вывод

1. Рассмотрены особенности процесса сварки корпуса модуля из титана, обладающего высокой химической активностью при нагревании и расплавлении в контакте с окружающей газовой средой. Описана технология изготовления сварных рамок корпуса модуля из титана и приведен технологический маршрут изготовления этих рамок.

2. Разработан технологический маршрут сборки гибридных интегральных схем (микроплат) усилительного модуля.

3. Описана технология вибрационной пайки микросхем усилителя к основанию с использованием в качестве флюса – глицерина.

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

5.1 Технико – экономическое обоснование

При разработке бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), в том числе и для систем радиоподавления, широко используется модульный принцип, когда узлы РЭА выполняются в виде отдельных модулей, входные и выходные клеммы которых согласованы со стандартным 50-омным сопротивлением. Сборка РЭА из таких модулей требует значительно меньших затрат времени, чем изготовление РЭА традиционным способом, а потому является экономически более эффективней.

Как правило, в модуль объединяются несколько устройств, следующих друг за другом, например, защитное устройство и входной многокаскадный усилитель. Современные устройства для бортовой аппаратуры выполняются в виде гибридных интегральных схем (микросхем), размещенных на тонких (толщиной 0,5 мм) диэлектрических подложках из керамики, типа поликор, или сапфира, обладающих слабой механической прочностью. Для предотвращения растрескивания и раскалывания микросхем и создания надежного теплоотвода их помещают в металлические корпуса.

Расширение областей применения гибридных интегральных микросхем способствует их экономическая эффективность и надежность, которая во многом определяется типом применяемого корпуса, его надежностью и стоимостью изготовления.

Корпус является узловым элементом модуля, он оказывает существенное влияние на работоспособность модуля, надежность, долговечность, механическую и климатическую устойчивость и стоимость. Его конструкция и технология изготовления определяют степень герметичности и ремонтопригодности модуля, а также уровень интеграции и габаритно-весовые характеристики модуля и РЭА в целом. Кроме того, корпус, как элемент конструкции модуля, влияет не только на его электрические и эксплуатационные характеристики, но и на выбор способов сборки, монтажа и герметизации модуля. Поэтому разработка конструкции корпуса модуля и технологии его изготовления является важной комплексной задачей, требующей одновременного решения целого ряда проблем, которые в большинстве случаев предъявляют противоречивые требования как в конструктивном так и в технологическом плане.

Создание конструкции и технологии модуля на полевых транзисторах с пониженными габаритно-весовыми параметрами и с улучшенными теплопроводными свойствами достигается путем перехода к тонкостенному корпусу и минимизации числа перегородок между микросхемами, а улучшение тепловых характеристик – путем применения пластин из металлов с высокими значениями теплопроводности, размещенных между основанием микросхемы и корпусом.

Экономическая эффективность разработки достигается, во-первых, снижением расхода материала корпуса из-за перехода к тонкостенной конструкции с меньшим числом перегородок. Во-вторых, использованием более дешевых металлов для основания корпуса, не обладающих большой теплопроводностью. В-третьих, применением для изготовления корпуса высокопроизводительных операций штамповки.

Указанные отличия разработанного модуля от базового позволяют существенно снизить себестоимость модуля и увеличить экономический эффект при производстве усилительного модуля на полевых транзисторах для бортовой системы РПД .

5.2. Оптимизация сроков выполнения работы при разработке модуля с помощью системы сетевого планирования и управления (СПУ).

При выполнении работы на стадии НИР необходимо координировать работу многих испытаний. Поэтому для чёткого выполнения этих этапов НИР применяются методы сетевого планирования и управления, которые позволяют наглядно представить связи между отдельными этапами работ, зависимость между собой и сроки их проведения.

Система СПУ позволяет:

- определить продолжительность критического пути и сосредоточить внимание на работах этого пути,

- сократить сроки работ,

- четко увязать работы во времени,

- определить все виды резервов времени работ, не лежащих на критическом пути.

5.2.1 Построение сетевого графика

Приступая к построению сетевого графика, примем схему условных обозначений. За условную схему принимаем сеть из 4-х событий: n, I, j, k и 3-х работ: n-i, i-j, j-k.

Построению сетевого графика должно предшествовать составление перечня всех основных работ и событий. Поясним смысл используемых при расчете элементов: событие, работа, путь.

Работа – путь соответствующий трудовому процессу, требующему затрат времени и ресурсов, приводящий к достижению определенных результатов. В сетевом графике работа представляет собой ориентированную дугу, которая начинается и оканчивается событием.

Событие – результат одной или нескольких работ, представляющих возможность начать одну или несколько следующих работ. Событие конкретизирует процесс планирования, исключая возможность различного толкования итогов выполнения работ. В сетевом графике событие представляет собой одну из вершин.

Путь – непрерывная технологическая последовательность работ между исходным и завершающим событиями. Длина пути определяется суммой продолжительности входящих работ. В перечне указываются кодовые номера событий и их наименования, кодовые номера работ, полный список работ, причем целесообразно указывать подряд сразу все работы, которые можно начать после совершения данного события.

Исходными параметрами сетевого графика является продолжительность работ (табл.5).

Параметры сетевого графика приведены в таблице 6.

Критический путь – это наиболее протяженная по времени цепочка работ, ведущих от исходного к завершающему событию. Критический путь определяет минимально необходимое время для выполнения всех работ.

Раннее начало любой работы t^рн_i-j равно продолжительности самого длинного пути, считая от исходного события и до события с которого начинается данная работа.

T^рн_i-j = max t_n-i , где t_n-i –продолжительность предшествующей работы.

Ранний срок окончания работы t ^ро_i-j – самый ранний из сроков. Он равен сумме раннего начала t^рн_i-j и продолжительности самой работы t_i-j .

T^ро_i-j = t^рн _i-j+ t_i-j

Поздний срок начала работы t^пн_i-j определяется разностью продолжительности критического пути l_кр и суммы продолжительности данной работы t_i-j и самого длинного пути, считая от завершающего события, до события, куда входит данная работа- max t_j-k .

За начало работы принимается значение завершающего события, для которого ранний и поздний сроки являются одинаковыми и равными критической продолжительности.

T^пн_i-j = l_кр – (t_i-j + max t_j-k)

Поздний срок окончания работы t^по_i-j , при котором не меняется срок планируемого окончания проекта, равен сумме позднего начала t^пн_i-j и продолжительность самой работы t_i-j .

T^по_i-j = t^пн_i-j + t_i-j

Под полным резервом времени R_i-j понимают максимальное время, на которое можно перенести начало данной работы или увеличить ее продолжительность, не изменяя при этом продолжительности критического пути. Полный резерв времени для любой работы определяется разностью позднего и раннего окончания работы.

R_i-j = t^пн_i-j – t^рн_i-j = t^по_i-j – t^ро_i-j

Cвободный резерв времени r_i-j – максимальное время, на которое можно увеличить ее продолжительность работы, не изменяя при этом ранних сроков начала последующих работ:

r_i-j = t^рн_i-k -t^ро_i-j

По выше указанной методике строим сетевой график. Сетевой график приведен на рис. 25.

Критический путь сетевого графика: l_кр=1-2, 2-3, 3-8, 8-9, 9-11, 11-13, 13-15, 15-17, 17-18, 18-19, 19-20.

L_кр= 66 (дней)= 13 (недель)

5.2.1.1 Карточка – определитель работ Таблица 5.

Работы	Содержание работы	Продолжительность (дни)
1-2	Получение, согласование и утверждение ТЗ	5
2-3	Подбор и анализ литературы	6
3-4	Анализ особенности конструкции модуля	5
3-5	Анализ влияния паразитных характеристик на электрические параметры	5
3-8	Наладка испытательного оборудования	10
4-7	Расчет электрической схемы модуля	1
5-6	Анализ тепловых процессов в модуле	1
8-9	Изготовление плат	5
9-10	Контроль транзисторов	5
9-11	Сборка каскадов	3
11-12	Настройка каскадов	5
11-13	Измерение электрических параметров модуля	5
13-14	Изготовление корпуса	2
13-15	Герметизация модуля	2
15-16	Контроль электрических параметров модуля	2
15-17	Определение работоспособности в процессе длительных испытаний	13
17-18	Обработка и анализ экспериментальных результатов	4
18-19	Составление научно-технического отчета о проделанной работе	10
19-20	Предъявление и сдача отчета комиссии	3

5.2.1.2 Параметры сетевого графика

Таблица 6.

Работы	ti-j	tрнi-j	tроi-j	tпнi-j	tпоi-j	R,полный резерв	r,свободный резерв
1-2	5	0	5	0	5	0	0
2-3	6	5	11	5	11	0	0
3-4	5	11	16	20	25	9	0
3-5	5	11	16	20	25	9	0
3-8	10	11	21	11	21	0	0
4-7	1	16	17	25	26	9	0
5-6	1	16	17	25	26	9	0
6-9	0	17	17	26	26	9	9
7-9	0	17	17	26	26	9	9
8-9	5	21	26	21	26	0	0
9-10	5	26	31	56	61	30	0
9-11	3	26	29	26	29	0	0
10-19	0	31	31	63	63	32	32
11-12	5	29	34	56	61	27	0
11-13	5	29	34	29	34	0	0
12-19	0	34	34	63	63	29	29
13-14	2	34	36	61	63	27	0
13-15	2	34	36	34	36	0	0
14-19	0	36	36	63	63	27	27
15-16	2	36	38	61	63	25	0
15-17	13	36	49	36	42	0	0
16-19	0	38	38	63	63	25	25
17-18	4	49	53	49	53	0	0
18-19	10	53	63	53	63	0	0
19-20	3	53	66	63	66	0	0

Коэффициент сложности сетевого графика:

К_сл = n_раб + n_соб = 25/20 = 1,25 , где n_раб = 25 - количество работ,

n_соб = 20 – количество событий СГ

5.3. Расчет затрат на разработку модуля

5.3.1 Затраты на материалы

Относим сюда: сырье, основные, вспомогательные материалы, покупные полуфабрикаты и комплектующие изделия (за вычетом отходов).

Определяется по действующим оптовым ценам с учетом транспортно-заготовительных расходов, величина которых составляет 10% от оптовой стоимости материалов.

5.3.1.1 Расчет затрат на основные материалы

Таблица 7.

Наименование	Ед. измерения	Оптовая цена , руб.	Расход на 1000 шт.	Сумма, руб.
Кристалл транзистора 3П344А-5	шт.	60	5000	300000
Ограничительный диод	шт.	48	5000	240000
Поликор 48-60-0,5	шт.	120	16	1920
Сапфир	шт.	180	5	900
Титан	кг	325	1,5	487,5
Золотая проволока	гр	420	1	420
Никель НПО ЭВк	гр	0,216	0,5	0,108
Хром	гр	2,4	5	12
Тантал	гр	4,2	5	21
Медь вакуумной плавки	гр	0,3	121	36,3
Золото наращивания	гр	420	1	420
Всего:	544216,9
Транспортно – заготовительные расходы	54421,69
Итого:	598638,59
	За 1000 шт.	598638,59
За 1 шт.	598,64

5.3.1.2 Расчет затрат на вспомогательные материалы

Таблица 8.

Наименование	Ед. измер.	Оптовая цена, руб.	Расход на 1000 изделий	Сумма, руб.
Тряпка х\б	м2	13,2	6	79,2
Спирт этиловый	л	90	2,5	225
Кислота серная	кг	96	0,7	67,2
Кислота борная	кг	108	0,15	16,2
Кислота азотная	кг	138	0,35	48,3
Кислота соляная	кг	102	06	61,2
Кислота фосфорная	кг	150	0,45	67,5
Фоторезист ФП-383	кг	1500	2,5	3750
Ацетон	кг	48	5	240
Диметилформамид	кг	132	6	792
Аммиак водный	кг	30	0,35	10,5
Трихлорэтилен	кг	180	6,5	1170
Вода депонизованная	м3	102	2,5	255
Перчатки х\б	пар	10	4	40
Перчатки резиновые	пар	20	5	100
Напалечники	шт.	1,8	30	54
Перекись водорода	кг	10,8	10	108
Хромовый ангидрид	кг	9	0,1	0,9
Медь сернокислая	кг	87,6	0,4	35,04
Всего:	7120,04
Транспортно-заготовительные операции:	712
Итого:	7832,04
	За 1000 шт.	7832,04
За 1 шт.	7,8

5.3.1.3 Расчет затрат на готовые изделия и полуфабрикаты

Таблица 9.

Наименование	Ед. измерения	Оптовая цена, руб.	Расход на 1000 шт.	Сумма, руб.
Анод из платины 99,3	кг	1080	0,000003	0,00324
Анод из стали 12000х800х1	кг	120	0,0064	0,768
Лак ХВ-784	кг	180	0,23	41,4
Фильтры обез…	шт.	2,4	16	38,4
Фильтры Filtral	шт.	3,2	20	640
Фотошаблон	шт.	240	20	4800
Основание из ковара 29-МК	кг	12	1,5	18
Припой ПОС-61	кг	216	0,01	21,6
Клей ТК-8НБ	гр	1,2	10	12
Клей ЭЧЭ-С	гр	30	12	360
Всего:	5932,2
Транспортно-заготовительные операции:	593,22
Итого:	6525,4
	За 1000 шт.	6525,4
За 1 шт.	6,53

5.3.2 Затраты на заработную плату

На статью ”Основная заработная плата” относим:

- основную заработную плату рабочих и ИТР;

- непосредственно занятых выполнением разработки или производственного изделия.

Размер основной заработной платы устанавливается из численности различных категорий исполнителей, трудоемкости, затрачиваемой на выполнение отдельных видов работ, и их средней заработной платы на один рабочий день.

5.3.2.1 Расчет заработной платы ИТР на оплату труда по разработке модуля

Таблица 10.

Должность	Трудоемкость, дни	Стоимость ИТР среднесуточная, руб.	Сумма, руб.
Ведущий инженер	20	210	4200
Инженер-конструктор	10	180	1800
Инженер 2-категории	10	144	1440
Инженер-технолог	13	130	1690
Техник	13	120	1560
Итого:	10690 руб.

5.4. Трудозатраты на изготовление модуля

5.4.1 Основная заработная плата рабочих

Таблица 11.

№ п.п.	Наименование	Часовая тарифная ставка	Норма времени, час.	Расценки неденомии р., руб.	Коэф- фициент запуска	На 1000 годных изделий
Изготовление микрополосковой платы (МПП)
1.	Формирование партии	10,8	12,2	132,2	1	132,2
2.	Химическая очистка	8,46	33,2	281,1	1,05	295,2
3.	Напыление Cr и Al	13,8	275,2	3797,5	1,15	4366,6
4.	Фотолитография по Cr, Al, Та	10,8	158,4	1710,4	1,2	2052,5
5.	Контроль резисторов	11,3	294,3	3320,04	1,2	3984
6.	Напыление Та2О2	13,8	128,6	1774,6	1,12	1987,6
7.	Формирование окон в диэлектрическом слое	10,9	158	1738,9	1,2	2086,7
8.	Контроль качества травления	14,8	48,4	717,6	1,02	731,9
9.	Формирование воздушных мостов	10,9	158	1378,9	1,2	2086,7
10.	Химическая очистка	8,5	33	281,1	1,05	295,2
11.	Напыление Al и Ni	13,8	257,2	3797,5	1,15	4367,7
12.	Гальваническое наращивание Au	12,9	26	336,7	1,3	437,7
13.	Формирование элементов верхнего уровня металлизации	10,9	158	1738,9	1,2	2086,7
14.	Разделение подложек на платы	13,2	202,7	5917	1,15	8875,7
15.	Контроль параметров платы	14,8	48,4	716,6	1,02	730,9
Итого:	34516,7
Изготовление корпуса модуля
1.	Заготовительные операции		34	224,4	1	224,4
2.	Слесарная обработка	12,6	40	1058,4	1,12	1185,4
3.	Фрезерная обработка	15	60	900	1,15	103,5
4.	Сверление отверстий	12	30	360	1,1	396
5.	Шлифовка и полировка	13,8	257	3549,4	1,15	4081,8
6.	Декапирование	8,46	33,2	281,1	1,12	314,8
7.	Гальваническое наращивание Ni и Au	12,6	26	328,9	1,3	427,6
Итого:	6733,5
Изготовление рамки
1.	Формирование партии	10,8	12,2	132,2	1	132,2
2.	Химическая очистка подложки	8,46	33,2	280,9	1,05	294,9
3.	Напыление Cr и Cu	13,8	257	3549,4	1,15	4081,8
4.	Фотолитография	10,98	158	1739,2	1,2	2087
5.	Гальваническое наращивание Cu	12,9	26	336,7	1,3	437,7
6.	Гальваническое наращивание Au и Ni	12,9	26	336,7	1,3	437,7
7.	Лазерная обработка	0,126	203,7	25,7	1,2	30,8
8.	Резка	13,2	203,7	2690,2	1,15	3093,7
9.	Контроль	14,8	48,4	717,6	1,02	731,9
Итого:	11327,7
Изготовление крышки
1.	Химическая очистка	8,46	33,2	280,9	1,05	294,9
2.	Резка	13,2	203,7	2689,6	1,15	3093
Итого:	3387,9
Золотая проволока
1.	Обезжиривание	10,8	12,2	132,2	1	132,2
2.	Отжиг проволоки	9	23,7	213,3	1,02	217,6
Итого:	349,8
Сборка модуля
1.	Посадка кристаллов МПП	11,58	30,7	355,5	1,1	391,1
2.	Термокомпрес-сионное присоединение выводов МПП	14,4	257	3705	1,2	4446,1
3.	Присоединение выводной рамки к плате	11,58	28,4	328,9	1,15	378,2
4.	Пайка выводной рамки на металлические основы	1,93	28,4	328,9	1,1	361,8
5.	Соединение сигнальных проводов к плате и рамке	14,4	257,3	3705,1	1,2	4446,1
6.	Контроль и настройка модуля	14,8	484,2	7175,8	1,02	7319,4
7.	Герметизация крышкой	11,58	28,4	328,9	1,15	378,2
Итого:	17720,9
Общая сумма по таблице 7:	74036,5
	На 1000 шт.	74036,5
	На 1шт.	74,036

5.5. Расчет себестоимости модуля

5.5.1 Расчет плановой себестоимости

Себестоимость – это уровень затрат на производство единицы продукции. В себестоимость включаются все затраты предприятия, связанные с производством и реализацией продукции. Снижение себестоимости имеет важное значение, т.к. это является источником внутрипроизводственных накоплений, совершенствования ТП, техники снижения цен па промышленную продукцию, повышение эффективности производства.

Себестоимость зависит от:

• повышения технологического уровня производства;

• организации производства;

• улучшения использования основных фондов и сокращения условно постоянных расходов.

Себестоимость рассчитывается по следующим статьям калькуляции:

• основные материалы (М_осн.);

• транспортно-заготовительные расходы;

• вспомогательные материалы (М_всп.);

• покупные полуфабрикаты и комплектующие изделия (К);

• основная заработная плата (З_пл.);

• отчисления на социальное страхование 38,5% от заработной платы (О_с.с.);

• накладные расходы (Р_цех.) 250% от заработной платы.

Себестоимость: К_с=М+К+З_пл.+О_с.с.+Р_цех., где М=М_осн.+М_всп.

5.5.1.1. Калькуляция плановой себестоимости на разработку модуля (капитальные затраты)

Таблица 12.

№ п.п.	Наименование	Единица измерения, руб. за 1 шт.
1.	Основные материалы (таблица 7)	598,64
2.	Вспомогательные материалы (таблица 8)	7,8
3.	Покупные полуфабрикаты и комплектующие (таблица 9)	6,53
4.	Основная заработная плата ИТР и рабочих (сумма таблиц 10 и 11)	10764,036
5.	Начисление на ФОТ (39% от п.4)	4197,97
6.	Накладные расходы (250% от п.4)	26910,1
7.	Итого затрат КС1 (сумма п.1- п.6)	42485,08
8.	Прибыль (35% от КС1)	14869,8
9.	Цена (сумма п.7 и п.8)	57354,9
10.	НДС (20% от п.9)	11470,9
11.	Стоимость (сумма п.9 и п.10)	68825,9

5.5.1.2 Калькуляция плановой себестоимости на изготовление модуля

(текущие затраты)

Таблица 13.

№ п.п.	Наименование	Единица измерения, руб. за 1 шт.
1.	Основные материалы	598,64
2.	Вспомогательные материалы	7,8
3.	Покупные полуфабрикаты и комплектующие	6,53
4.	Основная заработная плата рабочих (таблица 11)	74
5.	Начисление на ФОТ (39% от п.4)	28,9
6.	Накладные расходы (250% от п.4)	185
7.	Итого затрат КС2 (сумма п.1 - п.6)	900,9
8.	Прибыль (35% от КС2)	315,3
9.	Цена (сумма п.7 и п.8)	1216,2
10.	НДС (20% от п.9)	243,2
11.	Стоимость изделия (сумма п.9 и п.10)	1459,4

5.6. Расчет годового экономического эффекта

Решение о целесообразности создания и внедрения новой техники принимаются на основе экономического эффекта, определяемого на годовой объем производства новой техники в расчетном году.

Годовой экономический эффект новой техники представляет собой суммарную экономию всех производственных ресурсов (труда, материалов, капитальных вложений и т.д.), которую получает народное хозяйство в результате производства и пользования новой техникой.

Годовой экономический эффект рассчитывается по формуле:

Э_г = ( С_б – С_н ) х N – Е_н х К_р,

где С_б =1265 рублей за 1 шт. , где С_б - себестоимость базовой конструкции модуля (цифры взяты из отчета предприятия за 2000г.);

С_н =900,9 рублей за 1 шт., где С_н – себестоимость новой конструкции модуля;

N =1000 шт., где N-годовой оборот производства (объем);

Е_н =0,15 – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений ;.

К_р =42485,08 руб. за 1 шт. – затраты на разработку.

Э_г = (1256 – 900,9) х 1000 – 0,15 х 42485,08 = 364100-6372,8=357727 руб.

5.7 Вывод

В результате производственных экономических расчетов установлено, что ожидаемый экономический эффект от внедрения в серийное производство усилительного модуля на полевых транзисторах составил 357727 рублей при выпуске 1000 штук в год.

6. ОХРАНА ТРУДА И ЭКОЛОГИЯ

6.1 Введение

Одним из наиболее основных требований, предъявляемых к РЭА, является её надёжное функционирование в реальных условиях эксплуатации. При этом аппаратура может подвергаться воздействию окружающей среды: температуры, влаги, радиации, пыли, соляного тумана и т.д. Все эти факторы, снижают те или иные эксплуатационные характеристики аппаратуры и время её работы.

В разделе «Охрана труда и экология» рассматриваются вопросы, связанные с изготовлением и настройкой разрабатываемого устройства, т.е. предусматривается безопасность, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда. Эти вопросы отражают мероприятия по предупреждению опасных и безопасных вредных факторов, возникающих при работе на производстве, а также расчёты, необходимые для обеспечения нормальных условий работы на рабочем месте.

Широкое использование в электронной промышленности различного рода электроустановок выдвигает на первый план вопрос о защите обслуживающего персонала от опасности поражения электрическим током и воздействия вредных факторов.

Сюда также входит анализ мер противопожарной безопасности, которые включают в себя: классификацию помещений по категориям опасности, причины возникновения пожара и меры по его предотвращению.

6.2 Общие требования по охране труда

6.2.1Обучение по охране труда

Администрация предприятия обязана обеспечивать обучение рабочих, инженерно-технических работников, служащих. Обучение профессии должно проводиться в объеме программы подготовки. Для проведения учебных занятий и пропаганды по охране труда на предприятии должен быть кабинет по охране труда, а в цехах уголки по охране труда.

Обучение рабочих по охране труда проводится в виде: инструктажа, первичного инструктажа на рабочем месте, стажировки-обучения, повторного инструктажа, внепланового инструктажа, целевого инструктажа, специального обучения.

Кабинеты по охране труда должны соответствовать требованиям СНиП и положению о кабинете охраны труда, утверждённому постановлением Государственного комитета СССР по труду и социальным вопросам и секретариата ВЦСПС от 8 июня 1987 года № 197/16-17.

Вводный инструктаж проводит работник службы охраны труда или лицо, его заменяющее, со всеми принимаемыми на работу, а также с учащимися и студентами, прибывшими на производственное обучение или практику до издания приказа о зачислении.

При приеме рабочих на предприятие, проведение вводного инструктажа возлагается на начальников (техноруков).

По окончанию вводного инструктажа осуществляется регистрация его в журнале (личной карточке) и в удостоверении по технике безопасности, которое выдается каждому рабочему под расписку.

Номер удостоверения должен соответствовать порядковому номеру регистрации в журнале прохождения вводного инструктажа.

Первичный инструктаж на рабочем месте проводит в начале первого дня

работы руководитель работ (мастер, механик): со всеми вновь принятыми на предприятие; переводимыми из одного подразделения в другое; командированным для работы; учащимся и студентами, прибывшими на производственное обучение или практику.

Первичный инструктаж на рабочем месте проводят индивидуально, с практическим показом безопасных приемов и методов в объеме требований инструкции по охране труда для профессии или вида работы с затратами времени 1…3 ч в зависимости от сложности, степени опасности работы.

Работник, проводивший первичный инструктаж на рабочем месте, должен проверить усвояемость правильных и безопасных приемов работы инструктируемым путем опроса, затем добиться привития практических безопасных навыков работы при выполнении операции и закрепить их. Первичный инструктаж следует регистрировать в журнале после того, как вновь принятый рабочий проработал без отступлений от требований безопасности не менее получаса.

Стажировку как обязательную и необходимую составную часть обучения проводят сразу же после регистрации инструктажа в течение 2…6 смен, если специальными требованиями не предусмотрены более длительные сроки или другие формы обучения. Стажировка происходит под руководством мастера или бригадира и непосредственным контролем одного из опытных рабочих, положительно зарекомендовавшего себя отношением к охране труда. Стажировка оформляется документально с использованием допуска.

Повторный инструктаж по охране туда проводит ежеквартально непосредственный руководитель работ на вверенном ему участке со всеми рабочими независимо от их квалификации, образования и стажа работы по данной профессии. Повторный инструктаж проводят индивидуально или с группой рабочих, если их безопасность находится в зависимости друг от друга .

Повторный инструктаж, так же как и первичный, проводится в объеме

требований инструкции по охране труда, включая совмещенные работы. Он должен быть ориентирован на исключение имевших место нарушений требований безопасности, умение выполнять работу с использованием правильных и безопасных приемов, привитие навыков труда и закрепления этих навыков. Регистрация повторного инструктажа в журнале должна осуществляться после того, как рабочий проработал под контролем непосредственного руководителя не менее получаса, соблюдая все требования инструкции по охране труда.

Внеплановый инструктаж проводят: при изменении требований правил или инструкции по охране труда; изменении технологического процесса; замене или модернизации оборудования, приспособлений и инструментов, исходного сырья, материалов и других факторов, влияющих на безопасность труда; несоблюдении работниками требований безопасности труда, которые могут привести или привели к травме, аварии, взрыву или пожару; при выполнении разовой работы, не входящей в круг обязанностей рабочего; перерывах в работе более 30 календарных дней для работ с повышенными (дополнительными) требованиями безопасности труда, более 60 календарных дней для остальных работ.

Внеплановый инструктаж по полноте и методическому обеспечению должен соответствовать первичному инструктажу на рабочем месте и проводиться непосредственно руководителем работ, который делает запись в журнале регистрации инструктажей о проведении внепланового инструктажа.

Целевой инструктаж проводят с работниками перед производством работ повышенной опасности, на которые оформляют наряд-допуск. Порядок выполнения таких работ определен Типовым положением.

Специальное обучение по охране труда проводят со всеми рабочими не реже чем через 12 мес. в объеме 10 ч, если их продолжительность не оговорена другими документами.

Учет занятий ведется в журнале регистрации обучения рабочих по охране

труда. По завершении программы обучения обучающиеся подвергаются проверке знаний путем собеседования с членами специальной комиссии, назначенной приказом руководителя предприятия по согласованию с профсоюзным комитетом. Результаты проверки знаний отражают в протоколе, подписанном членами комиссии.

Со всеми инженерно-техническими работниками и служащими, вновь поступающими на предприятие, главный инженер или заместитель главного инженера по охране труда должен провести вводный инструктаж и зарегистрировать их в журнале.

После специального обучения должна быть проведена проверка знаний (аттестация) инженерно - технических работников и служащих комиссией, назначенной приказами:

по предприятию – под председательством главного инженера с участием представителя профкома;

по объединению, управлению под представительством главного инженера с участием технического инспектора труда профсоюза отрасли.

Аттестация директоров предприятий и производственных объединений, и их заместителей, главных инженеров и работников службы охраны труда проводится 1 раз в 3 года вышестоящим органом.

Аттестация других инженерно-технических работников и служащих предприятий и производственных объединений осуществляется 1 раз в 2 года непосредственно на предприятии.

Аттестация вновь поступивших на предприятие инженерно-технических работников и служащих или получивших новые назначения должна быть проведена до начала выполнения ими должностных обязанностей.

Обучение и аттестация работников, обслуживающих промышленные объекты, подконтрольные Госгортехнадзору и Госэнергонадзору, проводят в соответствии с действующими Правилами Госгортехнадзора и Госэнергонадзора РФ.

6.3 Экологическая безопасность и ОБЖ

Основные положения по экологии и обеспечении безопасности жизнедеятельности (ОБЖ) изложены в ряде законов, указов, правил, стандартов и инструкций, создающих правовую систему обеспечения безопасного существования человека в быту и на производстве.

Защита окружающей среды от вредного воздействия промышленного производства начинает выходить на одно из первых мест при оценке деятельности различных предприятий.

Экология призвана разрабатывать и совершенствовать технические средства защиты окружающей среды, всемирно развивать создание замкнутых, безотходных и малоотходных технологических циклов и производств, обеспечивать высокие экологические показатели технологии, машин и материалов, как на стадии промышленной эксплуатации, так и при проектировании, оценивать влияние промышленного объекта на промышленные выбросы, проводить экологическую экспертизу.

Основные направления в области охраны окружающей среды:

- правовое направление, представляющее собой совокупность природоохранных правовых норм, то есть законов и подзаконных актов;

- инженерно – техническое направление, ставящее перед производственно – экологической безопасностью задачи неуклонного повышения эффективности инженерно – технических мер по охране природы: широким внедрением безотходных и малоотходных технологий, комбинированных производств, обеспечивающих комплексное использование природных ресурсов, сырья и материалов.

Особое внимание должно уделяться вопросам охраны водных ресурсов, атмосферного воздуха, недр, а также разработки средств их защиты.

В процессе изготовления усилительного модуля имеют место следующие негативные факторы, влияющие на окружающую среду:

1. Загрязнение твердыми отходами производства (лак, стружка, шлаки, мусор, пыль и т.д.);

2. Загрязнение жидкими отходами производства (загрязнение сточных вод);

3. Присутствие электромагнитных полей.

В России разработаны и серийно выпускаются аппараты и устройства для очистки воздуха, газовых выбросов и сточных вод от примесей, которые применяются на промышленных предприятиях для улучшения санитарного состояния атмосферы и водоемов.

Для защиты почв, лесных угодий, поверхностных и грунтовых вод от твердых и жидких отходов в настоящее время широко используется сбор и складирование промышленных и бытовых отходов производства на свалках и полигонах.

Переработку промышленных отходов производят на специальных полигонах, предназначенных для централизованного сбора, обезвреживания и захоронения токсичных отходов промышленных предприятий, НИИ и учреждений. Также применяют безотходные и малоотходные технологические процессы во всех отраслях промышленности.

Утилизация включает в себя демонтаж изделия, доставку на место и саму переработку. Наиболее вероятным процессом при переработке является переплавка. Она опасна обменом веществом (вредные испарения, попадания на кожу раскаленного металла, обменом энергией, ожоги, СВЧ излучение).

Возможна направленность опасности: на человека, на социальную среду и на экосистему.

Готовое проектируемое устройство является экологически чистым, т.к. мощность СВЧ излучения не превышает установленные нормы, а блоки и высокочастотная часть усилительного модуля полностью экранированы проводящим металлическим корпусом.

Развитие электроники ведет к появлению неучтенных факторов вредного воздействия на организм человека, при этом ОБЖ является органическим элементом процесса производства. Поэтому система ОБЖ имеет как организационно – технические, так и социальные аспекты, и призвана ограждать работников от воздействия опасных и вредных производственных факторов, обеспечивать наиболее благоприятные условия труда.

В целом ОБЖ – это система законодательных актов, социально – экономических, организационных, технических, гигиенических и лечебно – профилактических мероприятий и средств, обеспечивающих безопасность, сохранении здоровья и работоспособности человека в процессе труда. Все эти меры способствуют снижению производственного травматизма, профессиональных заболеваний, что не только сохраняет здоровье работающих, но и экономит государственные средства, уменьшая затраты на оплату льгот и компенсаций за работу в неблагоприятных условиях и производственный травматизм.

Широкое использование в электронной промышленности различного рода электроустановок выдвигает на первый план вопрос о защите обслуживающего персонала от опасности поражения электрическим током и воздействия вредных факторов.

6.4 Анализ опасных и вредных факторов при исследовании и изготовлении УМ.

При изготовлении и настройке параметров УМ могут возникать опасные

и вредные производственные факторы. Они возникают при неудовлетворительном решении организационных и технологических вопросов. Опасные и вредные производственные факторы подразделяются по своему действию на следующие группы: физические, химические, биологические, психологические.

В производстве усилительного модуля можно выделить следующие опасные и вредные факторы:

- химические, а именно пары серной, соляной, азотной и других кислот, пары и брызги щелочи и ацетона;

- физические, а именно повышенный уровень шума, ультразвук, СВЧ излучение.

Усилительный модуль должен быть сконструирован таким образом, чтобы при нормальной эксплуатации обеспечивалась его надежная работа и не создавалась опасность для потребителя поражения электрическим током даже в случае небрежного обращения.

В процессе изготовления, настройки и исследовании параметров усилителя на человека могут воздействовать следующие факторы:

недостаточность освещения, выделение паров при пайке и поражение

электрическим током.

Электрический монтаж плат осуществляется посредством пайки с использованием припоя, который содержит 39% свинца. Процесс пайки сопровождается загрязнением воздуха парами свинца. По характеру воздействия на организм человека, пары свинца относятся к обще-токсичным веществам. Они вызывают отравление всего организма. Предельно допустимая концентрация паров свинца в воздухе рабочей зоны - 0,01 (ГОСТ 12..005-88).

6.5 Меры безопасности от поражения электрическим током

При осуществлении регулировочных работ и настройке возможна опасность поражения электрическим током, т.к. используется стандартная радиоизмерительная аппаратура, которая питается от сети 380\220В. поэтому к числу особо потенциальных факторов относится присутствие электрического тока. Электрический ток, проходя через организм человека, может привести к различным электротравмам.

Действие электрического тока может быть:

- термическим;

- электрическим;

- биологическим.

Возможно одновременное воздействие нескольких поражающих факторов. Последствия поражения зависят от ряда обстоятельств:

- электрического сопротивления человека;

- величины и рода тока;

- продолжительность воздействия;

- пути протекания тока через тело человека;

-частоты тока;

- величины приложенного напряжения.

Наибольшее влияние на исход поражения оказывает продолжительность воздействия электрического тока на организм человека. Безопасное время воздействия составляет до 0,01 с для токов с частотой 50-500 Гц, а для постоянного тока 0,02-0,05 с.

Наиболее опасен переменный ток с частотой 50-100 Гц, протекающий

через жизненно важные органы человека, сердце, легкие.

По степени опасности поражения электрическим током различают три типа помещений:

• помещение с повышенной опасностью;

• особо опасные помещения;

• помещения без повышенной опасности.

Помещение лаборатории относится к 1-ой категории, т.к. имеются токопроводящие полы, возможность одновременного прикосновения человека к заземленным металлоконструкциям здания и металлическим частям оборудования, которые являются потребителями электроэнергии. В помещении с повышенной опасностью может присутствовать токопроводящая пыль, влажность, повышенная температура.

Недостаточность освещения на рабочем месте приводит к напряжению зрения, ослабляя внимание, в результате чего наступает преждевременная усталость.

Все это приводит, в конечном счете, к снижению производительности труда и качества выпускаемой продукции.

6.5.1 Требования безопасности от поражения электрическим током

1. Токоведущие части не должны быть доступны случайному соприкосновению.

2. Клеммы ввода и вывода электроэнергии должны быть ограждены, штепсельные соединения утоплены в изолирующее основание.

3. Оболочки шланговых проводов закреплены в выводах штепсельных вилок и оборудования.

4. Металлические корпуса электроприемников должны быть надежно заземлены (запулены) под болт или через специальный контакт штепсельного разъема отдельным нулевым защитным проводом в общей оболочке.

5. Электроприемники должны быть оборудованы сигнальными лампами, измерительными приборами.

1. В случае появления неисправности во время работы немедленно отключить электроприемники.

6.5.2 Требования безопасности перед началом работ

До выполнения функций настройки и проведения исследований, без подачи напряжения на оборудование, осмотром проверить:

1. Наличие и состояние защитного заземления на всем оборудовании, приборах, аппаратуре и элементах устройств.

2. Наличие надписей у органов управления и измерительных приборов, указывающих на их назначение, положение.

3. Отсутствие следов механического повреждения изоляции у доступных внешнему осмотру токоведущих частей.

4. Целостность и исправность корпусов интенсивных соединений, разъемов, штекерных наконечников и т.п. средств коммуникаций.

5. Наличие изоляционного коврика под рабочим местом.

6. При обнаружении неисправностей оборудование включать запрещается.

7. При отсутствии дефектов провести пробное включение оборудования в соответствии с требованиями технической документации для проверки исправного действия органов управления и средств защиты.

6.5.3 Требования безопасности во время работы

1. Подсоединять (отсоединять) настраиваемое изделие подлежит только после снятия напряжения с токоведущих частей.

2. Измерительные приборы своей конструкцией не должны вынуждать работающих приближаться на опасные расстояния к токоведущим частям.

3. В процессе измерения приборы, находящиеся под током и напряжением, запрещается держать в руках.

6.5.4 Требования безопасности после окончания работы

1. Провести отключение стенда согласно инструкции по эксплуатации. 2. Привести в порядок рабочее место.

6.6 Противопожарная безопасность

Мероприятия по пожарной безопасности включают в себя меры по пожарной профилактике. Выполнение технологического регламента и обеспечение нормальной работы оборудования является залогом эффективной профилактики пожаров и взрывов. Вместе с тем необходим строгий контроль состояния работы огнетушителей и обучением работающих правилам и способам пожаротушения. Профилактика пожаров и взрывов достигается и обособленным размещением пожаро- и взрывоопасных участков и материалов, правильным хранением химических веществ, воспламеняющихся при совместном хранении. В соответствии со строительными нормами лаборатория по взрывной, взрывоопасной и пожарной опасности относится к категории «Д». К этой категории относятся производства с не пожароопасными технологическими процессами, где имеются несгораемые вещества и материалы в холодном состоянии.

Основными причинами возникновения пожара являются:

1. Неисправность электрооборудования.

2. Короткое замыкание.

3. Перегрузка проводов токами, превышающими допустимые значения.

4. Курение в пожароопасных помещениях.

Для предотвращения причин возникновения пожара предусмотрены следующие мероприятия:

1. В установках, приборах, щитах питания предусмотрены предохранители для разрыва цепи в случае короткого замыкания или перегрузки сети.

2. Соблюдение правил эксплуатации оборудования и приборов, а также соблюдение правил и сроков испытания изоляции.

3. Отведены специальные помещения для курения.

4. Обеспечено надежное соединение силовых проводов - скрутка с последующей сваркой.

5. На случай возникновения пожара имеются:

- огнетушитель ОУ-2;

- телефонная связь;

- утвержденный план эксплуатации людей;

- на лестничной площадке, в пяти метрах от рабочего участка, расположен извещатель.

1. Осуществляется контроль правильности эксплуатации оборудования.

При возникновении пожара из лаборатории подлежат эвакуации приборы. Для устранения причин возникновения пожара, а также для ликвидации очагов возгорания на промышленных предприятиях организуются службы пожарной безопасности, включающие в себя профессиональные и общественные пожарные команды, а также общественные пожарные комиссии. Главная задача этих служб – разработка мероприятий по противопожарной профилактике и тушению возникающих пожаров.

В комплекс противопожарных мероприятий входят: предупреждение возникновения пожара, создание условий эксплуатации, обеспечение условий быстрой локализации и тушения пожара. Мероприятия по пожарной безопасности выполняются согласно ГОСТ 12.1.004-85 «ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования».

6.7 Расчет освещения при изготовлении УМ

Расчет производится по методу коэффициента использования светового потока, основная формула расчета:

F=(E_нKSZ) лм,

где F- световой поток;

К - коэффициент запаса;

Е_н - нормированная минимальная освещенность;

S - площадь помещения;

Z - отношение средней освещенности к минимальной (коэффициент неравномерности освещения, Z= 1,1-1,2);

 - коэффициент использования светового потока.

Коэффициент запаса зависит от запыленности помещения и учитывает уменьшение светового потока. Выбираем К= 1,3.

Площадь пола освещенного помещения:

S = А  В,

где А - ширина помещения, А= 6м

В - длина помещения, В= 8м

S = 6  8 = 48 м²

Для определения коэффициента использования светового потока в начале необходимо найти значение индекса помещения по формуле:

i =S/(h(A+B)),

где h - расчетная величина высоты подвеса светильника над поверхностью.

h = Н - (h_l+h₂),

где Н - высота пола до потолка, Н=4м

h₁ - высота от пол до освещенной поверхности, h₁=0,8м

h₂ - высота от потолка до нижней части светильника, h₂=0,3м

h= 4-(0,8+0,3) = 2,9м

i = 48/(29 (6+8)) = 1,128

Потолок в помещение побелен, следовательно, коэффициент отражения от потолка равен 70%. Стены в помещении окрашены в голубой цвет, следовательно, коэффициент отражения равен 50% .

Определяем коэффициент использования светового потока:

=0,41

F= (200  1,3  48  1,1)/0,41 = 33483 лм.

Для реализации данного светового потока выбираем лампу ЛБ-40 ГОСТ 6825-74, световой поток лампы F_п=3120лм.

Потребляемая мощность - 40Вт. В каждом светильнике находится по две лампы, таким образом, световой поток от светильника составит:F=31202=6240 лм.

Общее число светильников N находим из формулы:

N=F_п/F=5,37.

Общее число светильников будет равным шести. Суммарная потребляемая мощность: Р=NP=480 Вт.

Наиболее удобная установка светильников двухрядная, по три в ряд. Расстояние от стены до светильников рекомендуется принимать: 1 = 0.33L,

где L - расстояние между рядами светильников.

Lh, h=1,4 при расположение светильников в ряд.

1 = 0,33  4 = 1,32 м.

6.8 Расчет местной вентиляции.

Для удаления вредных паров необходимо использовать местную вентиляцию. Скорость всасывания через проем определяется веществами, которые используются при пайки плат, и должна составлять 1-1,5 м/с. Расход воздуха удаляемого с монтажного стола, при отсутствии там источников тепловыделения, определяется по формуле :

L=3600F,

где L - объем удаляемого воздуха (м³/ч);

 - скорость воздуха в рабочем проёме (м/с);

F - площадь рабочего проёма всасывающей воронки (м²)

F = а b = 0,7  0,4 = 0,28 м²

где a и b - длина и ширина всасывающей воронки (м²).

L =3600 1,5  0,28 = 1512 м³/ч

Определяем параметры поперечного сечения воздухопровода.

Обычно скорость воздуха в воздухопроводе выбирается в пределах 3-10 м/с. Выберем для расчета =7м/с.

Площадь поперечного сечения воздухопровода определяется по формуле:

S = L /(3600) = 1512 / (3600  7) = 0,06 м².

Расcчитаем диаметр воздуховода:

т.к. S = d²/4, то d² = 4S/ =0,0764 м².

Следовательно, диаметр воздухопровода d = 0,276 м .

Общие потери давления в воздухе определяют по формуле:

P=(RL+Z),

где R - потери давления на трение на метр длины (кг/ м³);

L - длина расчетного участка воздухопровода (м);

Z - потери давления на расчетном участке (кг/м³).

Определим потери на трение на 1 метр длины по формуле:

R = ( K/d) (²  j/2q),

где К - коэффициент сопротивления трения;

j - объемный вес воздуха (кг/м³).

Определяем: ²- j/2q = 2,2 кг/м², K/d = 0,85

тогда: R= 0,852,2 = 1,87 кг/м³

Потери давления на местных сопротивлениях определяются по формуле: Z =K(²  j/2q),

где К -сумма коэффициентов местных сопротивлений.

 К = п К₁+К₂ +К_З ,

где К₁ - коэффициент местного сопротивления для круглого воздуховода при радиусе поворота 0,7 м;

К₂ - коэффициент местного сопротивления на выброс для шахты с зондом;

К_З - коэффициент местного сопротивления на всасывание для коллектора;

N - число поворотов воздухопровода.

К = 40,12 + 1,05 + 0,5 = 2,03

Z = 2,032,2 +4,46 = 49,35 кг/м³.

При коэффициенте запаса 1,1 давление воздуха равно:

Р = 49,35  1,1 =54,3 кг/м³.

Выберем вентилятор типа ЦЧ-70N3 с электродвигателем мощностью 0,6 кВт и скоростью вращения 28000 об/мин., который удовлетворяет расчетным данным.

6.9 Вывод

1. Проведен анализ опасных и вредных факторов при изготовлении и исследовании УМ, а также перечислены методы безопасности от поражения электрическим током при проведении настройки УМ.

2. Проведен расчет местной вентиляции и выбран вентилятор, который удовлетворяет расчетным данным, проведен расчет освещенности и, исходя из размеров помещения, выбрано оптимальное размещение светильников на участке.

3. Определены основные причины возникновения пожара и мероприятия их предотвращения.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе проведенного аналитического обзора литературы были сформулированы цели и задачи дипломного проектирования.

2. Проведен расчет основных параметров модуля: коэффициентов усиления К_р и шума F, потерь, мощности и т. п. Для каждого каскада. Показано, что для достижения заданных параметров: К_р = 30 дБ, F = 3 дБ, выходной мощности Р_вых = 30 мВт модуль должен состоять из пяти каскадов, причем первые два – малошумящие, а два последних – усилители средней мощности.

3. Разработана методика проектирования малошумящего каскада усилителя (МШУ), содержащая расчетные и экспериментальные этапы.

4. Предложен метод определения четырех параметров ПТШ, необходимых для построения шумовой модели транзистора. Суть метода заключается в измерении коэффициентов шума транзистора с включенными на его входе трансформатором при нескольких состояниях трансформатора и последующем расчете шумовых параметров F_min, R_п, G_SO, B_SO – из решений системы четырех уравнений. Проведены расчеты шумовых параметров для ПТШ типа «Созвездие».

1. Выбрана оригинальная схема МШУ, в которой первый транзистор реализует низкие шумы, а второй – высокий коэффициент усиления. Проведено схемотехническое проектирование усилителя и показано, что один каскад МШУ позволяет реализовать в диапазоне 7…10,5 ГГц следующие параметры: К_р = 9 дБ, F 1,6 дБ, неравномерность К_р  1 дБ.

2. Разработана топология каскада усилителя, выполненного на поликоровой подложке ( = 9,6) толщиной 0,5 мм с размерами 9 х 7,5 мм.

3. Проведен анализ тепловых моделей ГИС усилителя двух конструкций: при размещении кристалла ПТШ на подложке и с углублением кристалла ПТШ в подложку. Показано преимущество последнего способа перед первым по величине допустимого перегрева кристалла.

8. На основании разработанной топологии каскада усилителя предложена гибридно – интегральная конструкция каскада, состоящая из двух поликоровых плат, на которых размещены пассивные элементы каскада (планарные резисторы и навесные емкости), соединенные между собой золотыми проволочками. Платы разнесены на металлическом основании, а в зазоре между ними устанавливаются кристаллы полевых транзисторов и навесные емкости. Такая конструкция позволяет сравнительно просто осуществить сборку каскада и обеспечить необходимый тепловой режим выходных каскадов модуля.

9. Обоснован выбор типа корпуса для усилительного модуля. Из трех рассмотренных типов (пенального, чашечного, рамочного) выбран рамочный корпус, позволяющий, в частности, за счет двухстороннего монтажа достичь высокой степени интеграции, упростить сборку, монтаж, ремонт и реставрацию модуля.

10. Обоснован выбор материала для корпуса. Показано, что комплекс параметров, предъявляемых к модулям, расположенным на бортовых системах, удовлетворяет материал – титан. Титан имеет тепловые параметры, близкие к теплопроводности и КЛТР поликора, его плотность в 2 раза меньше плотности ковара.

11. Предложен способ соединения гибридных интегральных схем с металлическим основанием, сочетающий в себе преимущества вибрационной пайки и использование в качестве флюса некоррозионно – активных органических водорастворимых жидкостей, например, глицерина.

12. Проведен выбор способа герметизации модуля, сочетающий в себе микроплазменную сварку плавлением и бесштенгельную откачку и наполнение модуля инертным газом. Выполнена оптимизация времени бесштенгельной откачки. Показано, что для откачки модуля объемом 20 см³ требуется не более 2,5 минут.

13. Приведено описание конструкции модуля, содержащего на входе защитное устройство (ЗУ) на ограничительных диодах, два входных каскада малошумящих усилителей, на ПТШ типа «Созвездие», средний каскад и два выходных каскада усилителей мощности на ПТШ типа «Полет». Такая конструкция позволяет в диапазоне 7…10 ГГц реализовать К_р = 30 дБ, F = 3 дБ, Р_вых = 30 мВт и ограничить предельно допустимую мощность на входе в 1 Вт.

14. Приведены результаты экспериментального исследования как отдельных блоков, так и модуля в целом. Показано, что потери в ЗУ не превышают 0,8 дБ, а затухание получается более 15 дБ во всей рабочей полосе частот. Коэффициент усиления всего модуля при изменении температуры в пределах –60⁰С…+85⁰С изменяется на 6 дБ, но при этом всегда 30 дБ.

15. Рассмотрены особенности процесса сварки корпуса модуля из титана, обладающего высокой химической активностью при нагревании и расплавлении в контакте с окружающей газовой средой. Описана технология изготовления сварных рамок корпуса модуля из титана и приведен технологический маршрут изготовления этих рамок.

16. Разработан технологический маршрут сборки гибридных интегральных схем (микроплат) усилительного модуля.

17. Описана технология вибрационной пайки микросхем усилителя к основанию с использованием в качестве флюса – глицерина.

18. В результате производственных экономических расчетов установлено, что стоимость УМ составляет 1459 руб./шт., а ожидаемый экономический эффект от внедрения в серийное производство усилительного модуля на полевых транзисторах составил 357727 рублей при выпуске 1000 штук в год.

19. Проведен анализ опасных и вредных факторов при изготовлении и исследовании УМ, а также перечислены методы безопасности от поражения электрическим током при проведении настройки УМ.

20. Проведен расчет местной вентиляции и выбран вентилятор, который удовлетворяет расчетным данным, проведен расчет освещенности и, исходя из размеров помещения, выбрано оптимальное размещение светильников на участке.

21. Определены основные причины возникновения пожара и мероприятия их предотвращения.

Проведенная работа полностью соответствует заданию на дипломную работу.

Разработанный усилительный модуль на полевых транзисторах для бортовой системы РПД может найти широкое применение при создании РЭА специального и бытового назначения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В. и др. «Твердотельные устройства СВЧ в технике связи». М.: «Радио и связь». – 1988 г. - 288 с.

2. Бова Н.Т., Ефремов Ю.Г. и др. «Микроэлектронные устройства СВЧ». Киев.: «Техника». – 1984 г. – 184 с.

3. Артюнов Л.М., Блудов И.П. и др. «Модули СВЧ». М.: «Радио и связь». – 1984 г. – 72 с.

4. Данилин В.Н., Кушнеренко А.И., Петров Г.В. «Аналоговые полупроводниковые интегральные схемы СВЧ». М.: «Радио и связь». - 1985 г. – 192 с.

5. Банков В.Н., Барулин Л.Г. и др. «Радиоприемные устройства». М.: «Радио и связь». - 1984 г. – 272 с.

6. Егоров Е.Н., Калашников Н.Н. и др. «Использование радиочастотного спектра и радиопомехи». М.: «Радио и связь». – 1986 г. – 304 с.

7. Тилл У., Лаксон Дж. «Интегральные схемы». М.: «Мир». – 1985 г. – 500 с.

8. Баранов И.А., Обрезан О.И., Ропий А.И. «Стойкость твердотельных модулей СВЧ к кратковременным электроперегрузкам». Обзоры по ЭТ. Сер. 1, СВЧ – техника. – 1987 г. – Вып. 1. – 111 с.

9. Балыко А.К., Манченко Л.В., Мартынов Я.Б. «Проектирование сверхширокополосных усилителей на ПТШ». Электронная техника. Сер. 1, Электроника СВЧ.

10. Балыко А.К., Левашов А.С., Манченко Л.В. «Малошумящий усилитель на ПТШ». М.: «Радиоэлектроника». – 2000 г. - №4. – с. 25-32

11. Гассанов Л.Г., Груша С.А., Лаурс Е.П. «Аналоговые монолитные интегральные схемы СВЧ на основе арсенида галлия». Обзоры по ЭТ. Сер. 1, Электроника СВЧ. – 1984 г. – Вып. 7. – 54 с.

12. Гелль П.П., Осипович Н.К. «Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры». Л: «Энергоатомиздат». – 1984 г. – 536 с.

13. Горохов В.А., Полковский И.М. и др. «Комплексная миниатюризация в электросвязи». М.: «Радио и связь». – 1987 г. – 280 с.

14. Матсон Э.А., Крыжановский Д.В. «Справочное пособие по конструированию микросхем». Минск: «Высшая школа». – 1982 г. – 224 с.

15. Джуринский К.Б. «Коаксиальные радиокомпоненты нового поколения для микроэлектронных устройств СВЧ». М.: «ОНТИ». – 1996 г.- 36 с.

16. Балыко А.К., Манченко Л.В., Тагер А.С. и др. Научно – технический отчет № 252 – 1160. «Исследование возможности построения твердотельных устройств на основе ПТШ». НПО «Исток». – 1990 г. – 27 с.

17. Abbo A.D., Cocrille J., Pengelly R. «Monolithik Gallium Arsenide Circuits Shou Great Promise». «Microwave Systems News». – 1989 г. – V.9 - №8

–79-96

1. Гусельников Н.А. и др. «Проектирование балансных МШУ». Электронная техника. Сер. 1, СВЧ – техника. – 1996 г. – Вып. 2. – с. 31-33

2. Ненашев А.П., Коледов Л.А. «Основы конструирования микроэлектронной аппаратуры». М.: «Радио и связь». – 1981 г. – 307 с.

3. Ляшок А.П. и др. «Герметизация сваркой и пайкой корпусов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем». Обзоры по ЭТ.

-Сер. 7. – 1977 г. – Вып. 8 – 54 с.

1. Молдованов Ю.И., Яковлев Г.А., Кацюба А.М., Лемеш И.В. «Соединение плат микросхем с основанием вибрационной пайкой с использованием и без использования глицерина». Электронная техника. - Сер. 1. Электроника СВЧ. -Выпуск 8.- 1983г.

2. Молдованов Ю.И, Павлов С.П., Иовдальский В.А., Крысько В.А. «Анализ тепловых моделей ГИС СВЧ различных конструкций». Электронная техника.- Сер. 1.- Выпуск 9. -1983 г.

3. Кудрявцев Г.В., Корпачев М.Г., Синицина Г.В. «Герметизация СВЧ микросборок в металлических корпусах». Электронная техника. -Сер. 1.

- Выпуск . 1983 г.

24. Технический отчет №10873 «Разработка технологии изготовления рамочных металлических корпусов для микросборок СВЧ- диапазона». Гл. конструктор Кудрявцев Р.В. Москва. - 1980 г.

25. Туманов А.Т., «Применение титана в народном хозяйстве». Киев: «Техника», - 1975 г.

26. Гуревич С.М. «Металлургия и технология сварки титана и его сплавов». Киев: «Наукова думка». - 1979 г.

27. Большаков В.М. и др. «Микроплазменная сварка ». Электронная техника, сер.10. «Технология, организация производства и оборудование». Выпуск 2. - 1972 г.

28. Санамов Ю.А. «Экономика, организация и планирование промышленного производства». М.: «Высшая школа». - 1986 г.

1. Типовые методические рекомендации по планированию, учету и калькулированию себестоимости научно-технической продукции. Утв. Минэкономики РФ, Минфином и Миннаукой РФ 23.05.1994 г.

2. Денисенко Г.Ф. «Охрана труда». М.: «Высшая школа». - 1985 г.

3. Белов С.В. «Охрана окружающей среды». М.: «Высшая школа».

-1990 г.

1. ГОСТ 12.1.007-76 «Вредные вещества. Классификация и требования безопасности».

2. ГОСТ 12.1.004-85 «Пожарная безопасность. Общие требования».

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор публикаций по конструированию УМ

2. Расчетно-теоретическая часть

2.1 Проектирование УМ

2.1.1 Введение

2.1.2 Расчет параметров узлов модуля

2.1.3 Методика проектирования МШУ

2.1.4 Разработка шумовой модели ПТШ

2.1.5 Проектирование каскада МШУ

2.1.6 Анализ тепловых моделей ГИС СВЧ различных конструкций

2.2 Вывод

3. Конструкторская часть

3.1 Введение

3.2 Разработка ГИС усилителя

3.3 Выбор типа корпуса

3.4 Выбор материала корпуса

3.5 Соединение микросхем с основанием

3.6 Оптимизация размеров корпуса

3.7 Герметизация СВЧ модуля

3.8 Оптимизация времени бесштенгельной откачки

3.9 Конструкция модуля

3.10 Характеристики УМ

3.11 Вывод

4. Технологическая часть

4.1 Введение

4.2 Особенности процесса сварки титана

4.3 Технология изготовления сварных рамок корпуса

4.4 Технологическая схема изготовления рамочного корпуса

4.5 Сборка микрополосковых плат

4.6 Технологический процесс сборки микрополосковых плат

4.7 Вибрационная пайка МПП усилителя к основанию

4.8 Вывод

5. Экономическая часть

5.1 Технико-экономическое обоснование

5.2 Оптимизация сроков разработки модуля с помощью системы СПУ

5.3 Расчет затрат на разработку УМ

5.4 Трудозатраты на изготовление модуля

5.5 Расчет себестоимости модуля

5.6 Расчет годового экономического эффекта

5.7 Вывод

6. Охрана труда и экология

6.1 Введение

6.2 Общие требования по охране труда

6.3 Экологическая безопасность и ОБЖ

6.4 Анализ опасных и вредных факторов при изготовлении УМ

6.5 Меры безопасности от поражения электрическим током

6.6 Противопожарная безопасность

6.7 Расчет освещения при изготовлении УМ

6.8 Расчет местной вентиляции

6.9 Вывод

7. Заключение

Литература