Интервью с техническим директором компании "Абрис"

На вопросы по направлению серийного изготовления СВЧ ЭБ отвечает технический директор компании "Абрис" Сергей Шихов.

— Почему вы решили развивать направление СВЧ ЭБ?
— Не секрет, что в настоящее время наблюдается бурное развитие всевозможных устройств, функционирование которых связано с использованием микроволнового диапазона, причем используемые частоты зачастую составляют десятки гигагерц.

Традиционно устройства этого диапазона использовались только в изделиях военного применения (радары, системы наведения, средства радиоэлектронной борьбы, устройства тактической связи, беспилотные летательные аппараты и т. п.). Данное направление, безусловно, остается актуальным, но наряду с «военными» изделиями сейчас широко развивается «гражданское применение» устройств СВЧ. Некоторые «гражданские» устройства, например, системы контроля скоростного режима для ГИБДД, охранные системы и системы контроля периметра, представляют собой адаптацию «военных» приборов в мирных целях.

Другие же устройства, в особенности всевозможные средства беспроводных коммуникаций, можно условно отнести к чисто «гражданским». Так как изначально (и не только в нашей стране) устройства СВЧ-диапазона использовались практически только военными, подход к проектированию и изготовлению таких изделий был традиционен для оборонно-промышленного комплекса. Окончательная стоимость изделия и экономическая эффективность производства играли не самую важную роль.

Кроме того, за редким исключением, подобные изделия выпускались ограниченными партиями, в относительно небольших количествах. Таким образом, ситуация, при которой завод с числом работников в несколько тысяч человек выпускал в год порядка сотни готовых устройств, была абсолютно нормальной. Сейчас, по ряду причин, такой подход неприемлем, как для ОПК, так и для «гражданских» производителей электронной техники.

Следует отметить, что расширение развития производства устройств микроволнового диапазона стало возможным, в том числе, с появлением на рынке доступных СВЧ электронных компонентов с приемлемыми, для большинства применений, характеристиками. Так как наша компания обладает большим опытом в производстве электронных блоков различного назначения, вполне логичным является расширение ассортимента нашей продукции за счет устройств, работающих в СВЧ-диапазоне. Мы считаем это экономически целесообразным, к тому же нам просто интересно развивать новые для нас направления.

—  Когда была сделана первая пробная партия ЭБ?
Печатные платы и электронные блоки для СВЧ-применений выпускаются нашей компанией уже достаточно давно (как минимум несколько лет). В первое время ЭБ базировались на основе двусторонних и многослойных печатных плат, выполненных из материалов Rogers серии 4000 (также использовались «гибридные» структуры МПП, объединяющие материалы Rogers с обычным FR-4 в составе печатной платы).

В начале осени прошлого года нами были смонтированы первые экземпляры СВЧ электронных блоков на основе материалов Rogers с медным основанием (толщина медного основания — 1 и 3 мм). Безусловно, подготовка к первому выпуску заняла долгое время и потребовала неоднократных экспериментов. Платы на металлическом основании обладают большой теплоемкостью, что делает вопрос обеспечения качественного монтажа электронных компонентов нетривиальным.

 

Результат испытаний установочной партии этих изделий полностью удовлетворил требования клиента, что доказало верность выбранного технологического решения. В результате проделанной подготовительной работы мы обрели бесценный опыт в области изготовления подобных устройств, а также увидели пути дальнейшего развития данного направления.

— Почему вы решили использовать материалы компании Roders, а не поликор, оксид бериллия или нитрид алюминия? У этого материала есть ряд серьезных недостатков, например: • Невозможность гарантировать постоянство характеристик во всем диапазоне температур от >50 до +85 °С (это связано с особенностями материала, который изменяет свою диэлектрическую постоянную в зависимости от температуры). • Невозможность обеспечить точность геометрических размеров контактных проводников/площадок, что требуется для монтажа кристаллов.
— Базовые материалы компании Rogers широко известны на рынке материалов ПП для высокочастотных применений, обладают необходимыми для многих применений характеристиками и достойным качеством. При использовании поликора и подобных ему материалов структура топологии элементов на поверхности ПП обычно формируется с использованием тонкопленочной технологии, что требует глубокого вакуума. Такое производство дорого стоит, занимает значительное время, имеет сравнительно небольшой выход годных. Кроме того, существуют большие трудности в соединении подложек из керамических материалов с металлическими теплоотводящими основаниями. На подобных материалах практически невозможно сделать металлизацию сквозных отверстий, а тем более создать многослойную структуру.

Базовые материалы Rogers лишены этих недостатков. Более того, на основе этих материалов можно создать «гибридную» схему, объединяющую в составе печатной платы как СВЧ-часть, так и низкочастотную схему управления, что сокращает время сборки и уменьшает стоимость готового изделия. Подобные решения физически невозможно сделать на базе керамических материалов типа поликора.

Применяемые нами в настоящее время материалы обладают необходимыми характеристиками и обеспечивают надежное функционирование конечных изделий. Несмотря на существование температурной зависимости диэлектрической проницаемости (а она существует для любого материала), климатические испытания ЭБ, произведенных нашей компанией, показали функциональность изделий в широком диапазоне температур (от –60 до +80 °С). Таким образом, для многих применений эта зависимость не оказывает существенного влияния на характеристики конечного устройства (разумеется, ее необходимо учитывать на этапе проектирования). Кроме того, компания Rogers выпускает целую линейку термостабильных базовых материалов.

Точность изготовления элементов топологии по технологии, используемой нами, составляет ±10 мкм, для широкого круга применений этого более чем достаточно. Кроме того, применение бескорпусных элементов подразумевает изготовление или единичных, уникальных изделий (при монтаже вручную), или очень крупных серий (только тогда оправдано применение автоматизированного монтажа бескорпусных элементов). Применение ручного монтажа автоматически гарантирует низкую повторяемость характеристик готового изделия (что влечет за собой необходимость длительной настройки каждого прибора), а также высокий процент брака.

В нашем случае используются SMT-элементы и традиционная технология монтажа, это обеспечивает хорошую повторяемость характеристик и низкий процент брака, а также смягчает требования по геометрии контактных площадок. Тем не менее, мы не исключаем возможности расширения линейки нашей продукции за счет керамических материалов (типа поликора), так как существуют области применения, в которых данные материалы целесообразно использовать.

— Как вы решаете проблемы с теплоотводом при маленьких размерах?
— Обеспечение качественного теплоотвода — одна из ключевых задач при проектировании и изготовлении СВЧ  электронных блоков. Дискретные элементы, применяемые в этих изделиях, при своих относительно небольших размерах рассеивают достаточно большую мощность, при этом характеристики самих элементов, а также их ресурс и работоспособность сильно зависят от температуры. В существующем решении активные элементы выполнены в корпусах с центральной теплоотводящей площадкой (термопадом). Тепло от корпуса элемента, припаянного к базовой плате через термопад, отводится при помощи переходных отверстий (диаметром 0,2 мм) на обратную сторону печатной платы. Обратная сторона ПП, по большому счету, представляет собой единый полигон «земли».

Также с обратной стороны изделия, при помощи специализированного препрега, обладающего отличной тепло- и электропроводностью, размещается медное основание (толщиной 1 или 3 мм), играющее роль теплоотвода. Соединение базовой платы и медного основания производится методом прессования в вакууме, в процессе изготовления подложки. В дальнейшем тепло рассеивается металлическим основанием электронного блока на корпус готового изделия. На качество теплоотвода влияет множество
факторов, включая качество припрессовки медного основания и выполнения переходных отверстий, а также качество монтажа (пайки) навесных элементов. Наш опыт позволяет обеспечить необходимые тепловые характеристики готовых электронных блоков.

— Возможна ли механическая обработка данных плат в трех плоскостях?
— Специфика данных устройств такова, что практически всегда требуется достаточно сложная механическая обработка базовой подложки. Контур изделия обычно сильно отличается от прямоугольного, зачастую требуется фрезерование углублений различной формы и размера для создания волноводов или установки компонентов на заданную высоту. Для обеспечения надежного теплового и электрического контакта качество механообработки должно быть очень высоким, необходима хорошая плоскостность и низкая шероховатость. Наша компания обеспечивает высококачественную 3-мерную механическую обработку.

— Возможно ли гальваническое наращивание золота или никеля на данные платы (со всех сторон)? Это требования для специальных применений?
— Да, возможно. Эти требования предъявляются не только к устройствам для специальных применений. В основном покрытие гальваническим золотом необходимо для создания межсоединений (на самой плате или отдельных плат между собой) методом сварки. Кроме того, это покрытие обеспечивает защиту проводящего рисунка и медного основания от климатических факторов.

— Какой должен быть минимальный заказ и стоимость подготовки производства?
— Как и для любого нового высокотехнологичного изделия, серийное производство СВЧ ЭБ начинается с изготовления прототипов и установочных партий. Минимальный заказ, соответственно, начинается от одной штуки. Следует отметить, что основное отличие подобных изделий от других сложных печатных плат состоит в том, что затраты на подготовку  производства сравнительно невысоки, так как топология ПП проста по сравнению, например, со сложной цифровой МПП. Основной вклад в стоимость вносят трудозатраты (так как процесс производства достаточно сложный и длительный), а также стоимость базовых материалов (включая медные пластины).

Это интервью Вы можете найти в печатном выпуске газеты "ЭкспоЭлектроника-2010".