微音敏感電子元件的機(jī)械設(shè)計(jì)

現(xiàn)代射頻/微波電子系統(tǒng)和子系統(tǒng)通常依賴于包含微音敏感組件的精密頻率源，如 DRO、晶體振蕩器等。為此類系統(tǒng)和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)外殼和其他機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了巨大的挑戰(zhàn)，尤其是在針對移動(dòng)應(yīng)用時(shí)。減小尺寸、重量和功耗（SWaP）的要求使得在電子封裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域工作的機(jī)械工程師面臨更大的挑戰(zhàn)。本文介紹了為經(jīng)常相互沖突的要求找到最佳平衡的注意事項(xiàng)，例如最小化尺寸同時(shí)為Vibe隔離模塊/組件提供足夠的搖擺空間，在保持結(jié)構(gòu)高剛性同時(shí)最小化重量以及其他細(xì)節(jié)。我們將介紹SWaP降低要求和振動(dòng)隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)的限制。但是，更詳細(xì)的審查將需要單獨(dú)的條款。

介紹

對微音敏感的設(shè)備和/或組件通常用于現(xiàn)代電子系統(tǒng)和子系統(tǒng)。當(dāng)此類系統(tǒng)或子系統(tǒng)用于移動(dòng)應(yīng)用（例如導(dǎo)彈、飛機(jī)或艦載用途）時(shí)，需要保護(hù)微音敏感器件免受沖擊和振動(dòng)，以減少電氣性能的下降，例如相位噪聲、雜散等。這可以通過被動(dòng)或主動(dòng)氛圍隔離系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。主動(dòng)振動(dòng)隔離系統(tǒng)通常需要更大的空間，比被動(dòng)式隔離系統(tǒng)更重，并且需要功率，這在移動(dòng)系統(tǒng)和子系統(tǒng)中通常非常寶貴。因此，我們將討論僅限于僅使用基于彈性體的被動(dòng)式振動(dòng)隔離系統(tǒng)的應(yīng)用。但是，此處提出的大多數(shù)建議將提高采用主動(dòng)氛圍隔離的系統(tǒng)/子系統(tǒng)的性能。

背景

電子系統(tǒng)/子系統(tǒng)的所有機(jī)械結(jié)構(gòu)都可以被視為機(jī)械振蕩器，因?yàn)樗臒o支撐部分，在下一個(gè)更高級別的組件的連接點(diǎn)之間，將在負(fù)載下偏轉(zhuǎn)。如果這種外部載荷本質(zhì)上是周期性的，例如機(jī)身或船體的振動(dòng)，則結(jié)構(gòu)將表現(xiàn)出振蕩器的特性，其固有頻率由結(jié)構(gòu)的剛度及其質(zhì)量驅(qū)動(dòng)。結(jié)構(gòu)越剛，固有頻率越高。質(zhì)量越高，固有頻率越低。與簡單的諧波運(yùn)動(dòng)類型的響應(yīng)相關(guān)的結(jié)構(gòu)的上述屬性之間的這種關(guān)系最好使用以下等式來描述：

其中ω是徑向頻率，k是彈簧常數(shù)，m是我們系統(tǒng)/子系統(tǒng)的質(zhì)量。它以每秒弧度表示。要將其轉(zhuǎn)換為每秒周期數(shù)或赫茲 （Hz），我們需要將弧度轉(zhuǎn)換為完整周期：

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用于安裝環(huán)境隔離、微音敏感設(shè)備的結(jié)構(gòu)通常用作子系統(tǒng)或整個(gè)系統(tǒng)的底盤。為了從被動(dòng)氛圍隔離系統(tǒng)中獲得最佳性能，設(shè)計(jì)盡可能堅(jiān)固的底盤是有益的。這將使結(jié)構(gòu)的諧振頻率盡可能遠(yuǎn)離振動(dòng)隔離介質(zhì)諧振器振蕩器（DRO）的諧振頻率。在這種情況下，在確定底盤諧振頻率時(shí)，必須包括安裝在其上的所有模塊的質(zhì)量和/或點(diǎn)負(fù)載。在這個(gè)階段，使用有限元分析（FEA）軟件來確定固有頻率似乎更實(shí)用。

圖1.載板在振動(dòng)下的有限元分析模型（ANSYS）。

理想情況下，固有頻率（fn）的整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)高于懸掛的微音敏感器件（例如DRO）的工作（電）頻率。然而，對于在GHz范圍內(nèi)運(yùn)行的現(xiàn)代設(shè)備，這幾乎是不可能的。盡管如此，還是建議推動(dòng)盡可能高的 fn的結(jié)構(gòu)，以盡量減少這種結(jié)構(gòu)在沖擊和振動(dòng)下的線性位移。

在新設(shè)計(jì)的情況下，在結(jié)構(gòu)的每一側(cè)使用多個(gè)安裝點(diǎn)有助于保持 fn相當(dāng)高。但是，實(shí)現(xiàn)更高的f可能更困難n當(dāng)人們正在研究嵌入式替換設(shè)計(jì)時(shí)，安裝點(diǎn)通常彼此相距很遠(yuǎn)，因?yàn)槊總€(gè)下一代系統(tǒng)/子系統(tǒng)都比前一個(gè)系統(tǒng)/子系統(tǒng)更小更輕。這需要跨越相當(dāng)長的距離，這通常與結(jié)構(gòu)的較低固有頻率相對應(yīng)。

利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)的全貌來提高結(jié)構(gòu)的剛度

通常，從事移動(dòng)應(yīng)用包裝設(shè)計(jì)的機(jī)械工程師被迫根據(jù)要封裝/覆蓋的體積中最高電氣元件的高度保持盡可能低的蓋板高度或外殼深度。雖然從最小化重量（通常還有零件成本）的角度來看這是合理的，但對于采用被動(dòng)氛圍隔離系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說，這將是一個(gè)糟糕的權(quán)衡。在這些情況下，蓋板高度（或外殼深度）是影響結(jié)構(gòu)剛度的最強(qiáng)大因素之一。斯坦納的平行軸定理很好地描述了這種關(guān)系。

其中 I 是相對于給定軸的慣性矩;我厘米是相對于通過重心繪制的軸的慣性矩;m 是質(zhì)量;d 是上述兩個(gè)軸之間的距離（軸彼此平行）。

由于結(jié)構(gòu)的撓度與慣性矩成反比，因此增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的距離是改善結(jié)構(gòu)在沖擊/振動(dòng)環(huán)境中的響應(yīng)的非常有效的方法。

材料組

雖然機(jī)械工程師在為印刷電路板、微波基板、表面貼裝元件或相關(guān)項(xiàng)目選擇材料方面幾乎沒有影響力，其中主要驅(qū)動(dòng)力是電氣性能，而不管結(jié)構(gòu)特性如何（本質(zhì)上，從結(jié)構(gòu)角度來看，將設(shè)計(jì)的這些部分變成自重），但用于外殼和底盤的材料可以而且需要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行選擇。

很多時(shí)候，選擇密度最低的材料（從這個(gè)角度來看，鋁和鎂相當(dāng)受歡迎），而不考慮其他重要特性，例如彈性模量（又名楊氏模量）和泊松比。然而，更合適的方法是使用一種可以稱為特定剛度的質(zhì)量——楊氏模量和密度之間的比率。即，材料單位質(zhì)量密度的彈性模量。從這個(gè)角度來看，鋁和鋼的吸引力大致相同，因?yàn)閮烧叩谋葎偠却笾孪嗤?。在我們的一?xiàng)實(shí)驗(yàn)中，鋁制加勁肋被鋼加勁肋取代以進(jìn)行比較。兩種配置都表現(xiàn)良好，但帶有鋼加勁肋的配置產(chǎn)生了更高的 Q;因此，最終設(shè)計(jì)選擇了鋁。

對于極端情況，有一些特殊的材料可用，如CE7，CE11和鋁碳化硅（AlSiC）。其中一些需要大量的定制工具，這意味著更長的交貨時(shí)間和成本。其他的可以使用傳統(tǒng)的CNC銑床（如CE7和CE11）進(jìn)行加工，但需要帶有TiN涂層的硬質(zhì)合金刀具才能產(chǎn)生可接受的表面質(zhì)量。這種材料的主要優(yōu)點(diǎn)是比剛度。這些材料的楊氏模量比鋁高得多，同時(shí)具有大致相同的密度。缺點(diǎn)包括成本高和此類材料的供應(yīng)商數(shù)量有限，這使得采用此類材料的設(shè)計(jì)難以降低成本。

表1中的比較顯示了為什么鋁是首選材料，因?yàn)樗慕?jīng)濟(jì)實(shí)惠，易于加工，發(fā)達(dá)的電鍍工藝和其他優(yōu)點(diǎn)。鉆石僅作為參考點(diǎn)添加。我們不建議將其用作系統(tǒng)或子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料，盡管其特定的剛度值看起來非常有吸引力。

位置，位置，位置

位置在設(shè)計(jì)中并不像在房地產(chǎn)中那么重要，但位置對于設(shè)計(jì)需要對微音敏感模塊進(jìn)行振動(dòng)隔離的系統(tǒng)和子系統(tǒng)仍然非常重要。相對于系統(tǒng)或子系統(tǒng)機(jī)箱的安裝點(diǎn)對稱放置的 Vibe 隔離模塊的行為將比不對稱定位的模塊更可預(yù)測。在采用兩個(gè)級別的振動(dòng)隔離的情況下（一個(gè)緊鄰敏感組件，另一個(gè)緊鄰下一級組件），需要在兩個(gè)級別上保持對稱性。

圖2.微音敏感設(shè)備的首選位置。

將 Vibe 隔離有效載荷直接放置在下一個(gè)更高級別的組件的幾何中心具有挑戰(zhàn)性 — 預(yù)計(jì)電氣工程師和 PCB 設(shè)計(jì)人員會(huì)提出相當(dāng)強(qiáng)烈的阻力，因?yàn)檫@樣的放置會(huì)使可用于電氣元件放置和 PCB 布線的空間配置不太理想。然而，與由于振動(dòng)隔離系統(tǒng)的不均勻負(fù)載而導(dǎo)致的更大的電氣性能下降相比，這是一個(gè)很小的代價(jià)，導(dǎo)致對微音敏感的組件/模塊施加的機(jī)械振動(dòng)更加復(fù)雜和不對稱。

微音敏感器件設(shè)計(jì)的正面副作用

大多數(shù)用于微音敏感設(shè)備的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)都考慮到了在沖擊/振動(dòng)下減少位移。因此，從純粹的結(jié)構(gòu)完整性的角度來看，它們是過度設(shè)計(jì)的。這讓機(jī)械工程師在超載此類結(jié)構(gòu)以加速壽命測試、擔(dān)心負(fù)載下過度彎曲導(dǎo)致違反客戶信封以及其他類似情況時(shí)高枕無憂。

“建筑是冰凍的音樂”——約翰·沃爾夫?qū)ゑT·歌德

子系統(tǒng)或系統(tǒng)最通用的架構(gòu)由多個(gè)微波模塊組成，旨在具有適合承載振動(dòng)隔離有效載荷的足夠結(jié)構(gòu)質(zhì)量，如圖4所示。這些模塊安裝在載板的兩側(cè)，除了結(jié)構(gòu)服務(wù)職責(zé)外，載板還用作客戶安裝表面（通常被認(rèn)為是無限散熱器）的熱傳導(dǎo)接口。通過添加頂部和底部加固板來確保結(jié)構(gòu)剛度，這些加強(qiáng)板的位置將非常接近客戶規(guī)格定義的外殼極限。多個(gè)連桿確保兩個(gè)加勁板之間的牢固連接。像這樣的結(jié)構(gòu)允許在接口/機(jī)身安裝點(diǎn)之間的相當(dāng)長的跨度內(nèi)保持顯著的結(jié)構(gòu)剛度。在微波模塊外表面與客戶外殼之間的空間非常有限的情況下，鋼制加固板將比鋁制加固板更有效。

圖4.系統(tǒng)/子系統(tǒng)的通用體系結(jié)構(gòu)。

螺栓接口作為機(jī)械衰減器

除了被動(dòng)振動(dòng)隔離系統(tǒng)外，機(jī)身和振動(dòng)隔離有效載荷之間的螺栓接口還根據(jù)它們允許的微運(yùn)動(dòng)以及與這些微運(yùn)動(dòng)相關(guān)的摩擦力充當(dāng)減振器。因此，子系統(tǒng)機(jī)箱的安裝卡舌與微音敏感設(shè)備/模塊的連接點(diǎn)之間存在的順序螺栓接口越多，從客戶機(jī)身到模塊的振動(dòng)通過結(jié)構(gòu)傳播的衰減就越大。

機(jī)械設(shè)計(jì)需要頻率規(guī)劃

子系統(tǒng)/系統(tǒng) fn應(yīng)遠(yuǎn)離安裝在其上的每個(gè)模塊的固有頻率，除非其中一個(gè)模塊用作整個(gè)子系統(tǒng)/系統(tǒng)的機(jī)箱。在這種情況下，fn對于模塊，應(yīng)針對連接所有模塊（質(zhì)量載荷）的配置進(jìn)行計(jì)算/建模。上述質(zhì)量載荷將降低/減少fn所謂的底盤模塊。

混合材料組需要仔細(xì)分析

需要仔細(xì)分析結(jié)構(gòu)部件混合材料組的設(shè)計(jì)，以確定 CTE 不匹配的可能后果（例如，不銹鋼 316 （16 ppm/°C）、鋁 6061 （23.6 ppm/°C）。隨著溫度的變化，這種不匹配可能會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)預(yù)加載條件，導(dǎo)致f增加n適用于由具有不同 CTE 的部件組成的結(jié)構(gòu)。如果結(jié)構(gòu)沒有其他部分/部分，其 fn更高，但不接近fn在所討論的模塊/部分中，這種轉(zhuǎn)變無關(guān)緊要。但是，如果存在其 f 偏移量相當(dāng)小的結(jié)構(gòu)n到 Fn底盤模塊，那么兩個(gè)固有頻率最終可能會(huì)比預(yù)期更接近彼此，產(chǎn)生一定程度的沖擊/振動(dòng)相互放大——尚未完全達(dá)到共振，但仍然是一個(gè)不希望的條件。

如果下一個(gè)更高的fn模塊由具有不同 CTE 的類似形式的材料構(gòu)成，其n也會(huì)增加，有助于維持 delta Fn在安全區(qū)域。這說明了設(shè)計(jì)實(shí)踐一致性的積極影響，這降低了硬件測試中結(jié)果不佳的可能性。

結(jié)論

為包含微音敏感設(shè)備的系統(tǒng)和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)外殼和其他機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了重大挑戰(zhàn)。但是，有一些特定的注意事項(xiàng)和設(shè)計(jì)方法可以更大程度地實(shí)現(xiàn)一次通過成功。了解由于機(jī)械沖擊而導(dǎo)致的電氣性能下降的性質(zhì)是在電子封裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域工作的機(jī)械工程師可以具備的最有用的品質(zhì)之一。

審核編輯：郭婷