Технология изготовления СВЧ на ККБ "Искра"

Высокая надежность, устойчивость к разнообразным воздействиям, хорошая воспроизводимость параметров и низкая стоимость при массовом производстве, малые масса и габаритные размеры при требуемых электрических характеристиках. Возможность практически полной автоматизации производства, а также ряд других факторов определили быстрое развитие и широкое применение полосковой технологии и полосковых устройств в ОВЧ и СВЧ диапазонах.Переход к массовому производству и необходимость существенного сокращения цикла от разработки до выпуска изделия выявили неэффективность традиционного разделения обязанностей между разработчиком аппаратуры, конструктором и технологом, потребовали повышения уровня знаний всех участников в смежных областях.

Теперь конструктор-разработчик активно участвует в выборе и расчете электрической схемы узла и его топологи, четко представляя себе назначение, принцип действия и особенности каждого элемента схемы, использует методы автоматизированного проектирования, хорошо знает все особенности технологического цикла, учитывая возможности и ограничения технологического порядка, нередко определяющие конструкцию узла, использует эти знания при конструировании, принимая во внимание особенности применения устройства и возможность его серийного производства.

Процесс создания полосковых устройств (в частности полосковых интегральных устройств) на каждом своем этапе требует комплексного подхода к решению задач.Так, радиоинженер, разрабатывающий топологию, должен хорошо знать радиоматериалы, вопросы компоновки элементов схем, технологические процессы монтажа и получения рисунка; конструктор, занимающийся компоновкой, должен свободно ориентироваться в технологии монтажа и создания рисунка, в вопросах нанесения защитных покрытий, механической обработки подложек и т.д. Поэтому основными задачами производственной практики являются: – изучение комплекса материалов, используемых на предприятии для изготовления различных элементов конструкции, а также технологических материалов; - изучение способов компоновки изделий, изготавливаемых на предприятии; - изучение технологических процессов, используемых на предприятии для изготовления корпусов, для монтажа и сборки изделий; - изучение способов получения рисунка плат, отработанных на данном предприятии; – ознакомление с системами автоматизированного проектирования, используемыми на данном предприятии; – формулировка темы дипломного проекта; – составление проекта технического задания на выполнение дипломного проекта.

Производственная практика проходила на предприятии ККБ «Искра» в конструкторском отделе №4. Данный отдел занимается разработкой устройств СВЧ и микросборок. Номенклатура разрабатываемых изделий сводится к интегральным модулям, блокам, субблокам, контактным устройствам и стендам различного назначения, входящих в состав различной аппаратуры.

В области СВЧ техники интенсификация производства, повышение его эффективности и обеспечение высокого качества выпускаемой продукции возможны лишь на базе комплексной микроминиатюризации с применением новейших интегральных микросхем, микросборок и т.п. Важнейшим фактором является комплексная автоматизация труда всех этапов производства изделий, от их создания до проверки эксплуатационных характеристик.

Кроме того, использование унифицированных узлов и элементов и прогрессивных технологий, позволяют снизить погрешности изготовления и стоимость изделий.

Современные полосковые устройства очень сложны.

Нередко они состоят из десятков, даже сотен отдельных функциональных узлов: делителей, мостов, фильтров, направленных ответвителей и т.д. Однако практически все многообразие функциональных узлов сводится к относительно небольшому числу простейших элементов: отрезки одиночных и связанных линий, изгибы, Х- и Т-сочленения, изломы и т.д. Конструкции СВЧ узлов и аппаратуры развиваются в направлении комплексной миниатюризации, повышения надежности, экономичности изготовления и эксплуатации, уменьшения габаритных размеров отдельных элементов, повышения степени интеграции узлов, усложнения их функций и т.д. Внедрение технологии интегральных микросхем привело к существенному уменьшению объема СВЧ аппаратуры (в 5…10 раз) по сравнению с аналогами в волноводном и коаксиальном исполнении.

В настоящее время произошло сближение конструктивного оформления СВЧ блоков на микросхемах (микросборках) с конструкциями низкочастотной аппаратуры в виде функциональных ячеек, что существенно упрощает сборку, регулировку и эксплуатацию СВЧ аппаратуры.

К полосковому СВЧ устройству предъявляются следующие основные требования: - малые габаритные размеры; - высококачественные электрические характеристики; - технологичность конструкции, устойчивость электрических характеристик к климатическим и механическим воздействиям, их стабильность при длительной эксплуатации и хранении; - удобство настройки и проверки в процессе эксплуатации, возможность ремонта или замены отдельных частей узла; – возможность использования в устройстве серийно выпускаемых материалов и комплектующих изделий.

При создании конкретной конструкции полоскового узла необходимы подробные данные, касающиеся принципов и условий его работы и режимов использования, которые в основном содержатся в техническом задании на конструирование.Важнейшие из них: - электрическая схема устройства и основные его характеристики; - диапазон рабочих частот; - проходящая мощность; - наличие и тип навесных компонентов; - число и тип присоединительных элементов; - необходимость герметизации узла и конкретный вид ремонтных работ (или их отсутствие); – желательный тип конструктивного оформления полоскового устройства (габаритные размеры и форма); - предпочтительный технологический способ изготовления; - предполагаемый объем серийного выпуска.

Для изготовления различных элементов СВЧ устройств на данном предприятии используются различные материалы.Выбор того или иного материала зависит от условий эксплуатации всего устройства, от факторов, воздействующих на узел, в состав которого входит тот или иной элемент. Так, например, диэлектрические основания полосковых плат изготавливаются в виде листов или пластин с размерами 24x30…500х500 мм и толщиной 0,5…6 мм. В качестве органической основы используются неполярные полимеры: фторопласт, полиэтилен, полифениленоксид, полипропилен, полистирол, стирол и их сополимеры.

Диэлектрические материалы на органической основе подвергают армированию, наполнению, плакированию и другим видам модификации для направленного изменения физико-технических параметров. Ненаполненные, наполненные, армированные, плакированные органические материалы используются как фольгированные, так и нефольгированные.

Наполнение органических диэлектриков производится мелкодисперсным порошком из радиочастотной керамики; армирование – стекловолокном, стеклотканью; плакирование – листами легких сплавов, имеющих хорошую электропроводность.Из диэлектрических материалов на неорганической подложке используют ситалловые стекла, керамику чистых окислов и корундовую керамику (поликор, сапфирит, ситаллы, 22ХС, ВГ-IV). Из органических материалов: ненаполненные – САМ 3, ФФ 4, ПВП М; наполненные – ПТ, СТ, СА 3, 8Ф, АПЛ, ФЛАН.; армированные – ФАФ 4, ФАФ 4СКЛ, СФ 1–35, СФ 2Н 50, СФР 230. Проводники и экраны полосковой линии, как правило, выполняют из металлов с малым удельным сопротивлением, обеспечивающим минимальные потери (из меди, серебра, латуни, алюминиевых сплавов). Внешние токопроводящие пластины полосковых линий выполняют преимущественно из алюминиевых сплавов, латуни, металлизированных пластин из керамики или пластмассы.

Для металлизации диэлектриков используется листовая фольга толщиной 25±2; 35±3 и 50±5 мкм и электролитическая медь, осажденная на диэлектрик толщиной 15 70 мкм. Для изготовления элементов (деталей) корпусов полоскового узла применяются материалы: титановый сплав ВТ1–0, ВТ5–1; сплав 29НК (ковар); алюминиевый сплав марок Д16, В95, АЛ2, АЛ9; латунь Л63; пресс-материалы АГ 4В, ДСВ2 Р 2М. Предпочтительно для деталей корпусов использовать материалы, характеристики которых приведены в табл. 1 (ОСТ 4ГО.010.224–22). В технически обоснованных случаях допускается применять другие конструкционные материалы.

Таблица 1 – Материалы и их основные характеристики Материал гост Плотность, кг/мМО3 ТКЛР при t=2<H200 °C, o€-i.10-6 Теплопроводность, Вт/м-°С Сплав ВТ1–0 ГОСТ 19807–74 4,50 9 15,4 Сплав ВТ5–1 4,42 8,3–8,9 8,8–18,4 Сплав 47НД ГОСТ 10994–74 8,40 9,2–10,1 - Сплав 29НК 8,20 4,6–5,5 - Сплав Д16 ГОСТ 4784–74 2,78 22,0 117,0–192,3 Сплав В95 2,85 23,0 158,0 Сплав АМц 2,73 23,0 154,6–179,8 Латунь Л63 ГОСТ 15527–70 8,43 20,6 108,6 Сплав АЛ 2 ГОСТ 2685–75 2,65 21,1–23,3 167,0–175,0 Сплав АЛ 9 2,66 23,0–24,5 150,0–167,0 Медь Ml, МЗ ГОСТ 859–78 8,90 17,4 392,9 Материал прессовочный дев ГОСТ 17478–72 1,70 9–12 0,33 С целью обеспечения нормальных режимов работы узлов при конструировании корпусов и их элементов выбирают материалы с ТКЛР, близким к ТКЛР материалов микрополосковых плат. Наиболее предпочтительными для непосредственного соединения пайкой являются сочетания материалов подложек и деталей корпусов, приведенных в табл. 2 Выбор марки припоя проводят по ОСТ 4Г0.033.200 Таблица 2 – Предпочтительные сочетания материалов корпуса и подложек Материал подложки Материал детали корпуса Поликор Титановый сплав Материал ДСВ Керамика ВК94–1 Ситалл Сплав 47НД Материал ДСВ Для предотвращения затекания припоя и флюса во внутреннюю поверхность корпуса при герметизации полоскового узла предусматривается прокладка, выполненная из резины ИРП 1341. Крышки для герметизируемого полоскового узла изготавливают из материалов марок АМц, АП, Д16, 29НК, Л63, ВТ1–0, в зависимости от конкретных требований. Корпус полосковой схемы обеспечивает: - жесткое закрепление платы и соединение ее с переходами, предназначенными для связи с внешними цепями; - защиту платы и ее элементов от внешних климатических, механических и других воздействий (корпус должен быть при необходимости герметичным); - экранировку схемы от внешних электромагнитных излучений (наводок) и подавление излучения во внешнюю среду; – теплоотвод от участков схемы, в которых рассеивается электромагнитная энергия. Кроме того корпус должен быть технологичным, экономически выгодным, обеспечивать возможность сборки схемы, контроль, подстройку, ремонт и т.д. С целью удовлетворения всех перечисленных требований, на предприятии разработаны унифицированные корпуса.

Применяются такие основные типы корпусов: - коробчатые (чашечные) корпуса; - рамочные корпуса; - – пенальные корпуса; - пластинчатые корпуса.

Для соединения коаксиального тракта полосковой схемой применяются два способа: непосредственное соединение жилы коаксиального кабеля с полосковым проводником (прямой кабельный ввод) и соединение через коаксиально-полосковый переход, представляющий собой элемент, имеющий коаксиальную часть, которая соединяется с наружными цепями, и переходную секцию для соединения с полосковой линией.

Применяются вилки, розетки и вилки переходные соединителей СНП34 и СНП34С, которые поставляются только во всеклиматическом исполнении. Используемые технологические методы изготовления полосковых узлов различаются способом и возможностью нанесения различных материалов (проводящих, диэлектрических, резистивных) на поверхность платы, способом получения рисунка конструктивных элементов схемы и реализуемой при этом точностью их изготовления; производственной характеристикой (сложностью оборудования, периодом освоения в серийном производстве, процентом выхода годных узлов, стоимостью изготовления СВЧ схем и т.п.). Основная задача любого технологического процесса – создание высококачественной полосковой линии, что предполагает обеспечение в ней малых потерь и возможно точное воспроизведение требуемых волнового сопротивления и электрической длины.

Технологический процесс изготовления полосковых плат включает в себя операции изготовления полосковой платы, оригинала (фотооригинала) и рабочего фотошаблона.

Операции изготовления полосковых плат следующие: - получение токопроводящего слоя, - формирование рисунка схемы, - механическая обработка.

Сочетание и чередование приведенных операций зависит от метода изготовления полосковой платы.

На предприятии применяются такие методы изготовления полосковых узлов: – тонкопленочная технология на основе химико-гальванической металлизации; - тонкопленочная технология на основе вакуумного напыления; - толстопленочная технология; - металлизация плат фольгой. - Химико-гальваническая, толстопленочная и тонкопленочная технология на основе вакуумного напыления – базовые технологические методы изготовления полосковых схем, на которые (с теми или иными частными видоизменениями) ориентируются большинство разработчиков и конструкторов.

В технологи изготовления полосковых плат применяются четыре метода получения рисунка схемы: - фотохимический; - фотохимический в сочетании с электрохимией; - фотоэлектрохимический; - масочный.

Для получения рисунка схемы первыми тремя методами используется фоторезист от свойств, от режимов обработки которого во многом зависит качество рисунка.

Для образования полосковых проводников (в первых двух вариантах) используется химическое травление металла (меди, адгезионного подслоя). Масочный метод позволяет осаждать металл в вакууме на участках заготовки, не защищенных маской.

Метод пригоден только для полосковых плат небольшого размера на неорганических диэлектриках и не является универсальным, не позволяет, в частности, получить рисунок любой конфигурации (например, концентрические окружности). Принятый технологический процесс изготовления полосковой платы оказывает в известной мере влияние на все основные характеристики узла: конструкторско-технологические, эксплуатационные и технико-экономические, что вызывает необходимость обоснованного выбора материала и метода изготовления проектируемых плат. Технологический процесс изготовления полосковых плат определяют, как правило, на эскизной стадии проектирования полоскового узла. Для изготовления корпусов применяют следующие технологические процессы: - механическая обработка (фрезерование), для материалов ВТ5–1, 29НК, Д16; - штамповка, для материалов ВТ1–0, 29НК, Л63; - гальванопластика с опрессовкой материалом АГ 4В, ДСВ2 Р 2М, ДСВ4 Р 2М; – прессование из материалов АГ 4В, ДСВ2 Р 2М, ДСВ4 Р 2М с последующей металлизацией; – литье под давлением или полужидкая штамповка, для материалов АЛ9. Наибольшая трудность заключается в получении надежного электрического контакта между навесными элементами и полосковым проводником или экраном полосковой линии.

В любом случае в печатных платах соединения обеспечивают проводники, а для создания контакта используется пайка или токопроводящие композиции.

Разнообразие требований к полосковым платам и узлам не позволяет создать единую документацию для сборки.

Вероятность ошибок при сборке значительно больше, чем при изготовлении полосковых плат. Поэтому основное внимание уделяется составлению сборочного процесса и его контролю.

Компоненты, используемые в полосковом узле проходят сплошной контроль для обеспечения требуемой надежности и качества.Стабильность выходных параметров полосковых узлов при изменении в широком диапазоне внешних воздействий (динамических нагрузок, повышенной влажности, разряжения и др.) обеспечивается герметизацией.

В зависимости от назначения аппаратуры, конструкции полоскового узла, типа полосковой линии передачи герметизация полоскового узла может выполняться одним из следующих способов: – установкой полосковои платы в герметичный корпус или полоскового узла в герметичный отсек; - заливкой узла материалом на основе синтетических каучуков, компаундов и др.; - склеиванием оснований симметричной полосковои линии клеем на основе диэлектрического материала; - склеиванием оснований симметричной полосковои линии за счет размягчения поверхности диэлектрического основания растворителем. Установка полосковых плат в герметичный корпус получила наибольшее распространение для несимметричных полосковых линий передачи.

Герметизация полоскового узла производится электродуговой сваркой или пайкой.В случае герметизации полоскового узла пайкой крышки по контуру вводится резиновая прокладка и стальная или луженая латунная проволока для вскрытия полоскового узла. Внутренняя поверхность полоскового узла заполняется инертным газом под давлением: - аргоном высшего сорта; - гелием высшей очистки; – газообразным азотом особой чистоты или высшего сорта.

Полосковые узлы после герметизации дополнительно защищают лакокрасочным покрытием. Металлические стержни и стеклянные изоляторы низкочастотных выводов, а также резьбы и внутренние поверхности радиочастотных соединителей не подвергаются окраске.Для проверки герметичности полоскового узла применяют такие способы: - масс-спектрометрический, - вакуумно- жидкостный, - пузырьковый.

В последнее время особую роль в работе инженера-конструктора играет использование систем автоматизированного проектирования а также современного программного обеспечения.В данном отделе используются такие системы автоматизированного проектирования, как: - Подсистема ПРАМ – 0,3. Пакет прикладных программ сквозной цикл проектирования микрополосковых устройств; - AutoCAD; - PCAD; - КОМПАС. Эти системы существенно облегчают расчет, разводку, компоновку устройств СВЧ, а также создание необходимой конструкторской документации на все разрабатываемы устройства и узлы. В ходе производственной практики, которая проходила на предприятии ККБ «Искра» в конструкторском отделе №4, получили навыки конструирования устройств СВЧ техники, изучили основные требования к различным элементам узлов, ознакомились с материалами и основными технологическими процессами, применяемыми на предприятии. Во время построения чертежей узлов ознакомились с основными требованиями к их оформлению.