PE Integracja i technologia Archiwum

PE Integracja i technologia Archiwum

Układy z lampami elektronowymi montowano na chassis. W otwory występlowane na prasie w chassis mocowano podstawki lamp i kondensatory elektrolityczne. Do chassis bezpośrednio montowano też śrubami duże elementy jak transformatory, przestrajane kondensatory, obudowane filtry LC... Do chassis montowano także listy połączeniowe z polami lutowniczymi. Elementy lub ich przewody lutowano do listew połączeniowych i podstawek lamp. Z uwagi na wielkość i ciężar ilość elementów zamontowanych na jednym chassis nie była duża. Toteż w złożonych urządzeniach lampowych stosowano moduły jak przykładowo w komputerach lampowych. Zastosowanie modułu pociąga użycie nietaniej i potencjalnie zawodnej pary wtyk – gniazdo. Dodatkowo piny wszystkich złącz stojaka muszą być połączone przewodami. IBM to „szycie” zautomatyzował już pod koniec lat pięćdziesiątych głównie dla eliminacji błędów i uzyskania wysokiej jakości połączeń.

Do urządzeń przenośnych zasilanych z baterii produkowano lampy miniaturowe o bardzo małej mocy zarżenia. Także z zasilania anodowego pobierały one mało mocy. W jednej bańce umieszczano dwie a nawet trzy elementarne lampy elektronowe. W lampach umieszczano też małe rezystory. Lampy elektronowe osiągnęły znaczny poziom doskonałości. Tranzystory wyparły lampy elektronowe z ogromniej większości zastosowań ale nadal magnetrony, klistrony i lampy nadawcze dużej mocy są niezastąpione.

Współcześnie układy elektroniczne montuje się na płytach drukowanych PCB.

W układach energoelektronicznych wielkiej mocy stosuje się połączenia kablami lub lepiej kształtkami wykrojonymi z grubej blachy miedzianej.

Elementy elektroniczne łączy się w grupy na płytach drukowanych PCB lub integruje monolitycznie lub hybrydowo.

„ Po raz pierwszy w historii w masowej produkcji, płytek drukowanych użyto w amerykańskich Proximity Fuse czy przełączniku zbliżeniowym później bazujący na prostym radarze lub po prostu Fuse w pociskach przeciwlotniczych w 1943 roku. Fuse był urządzeniem bardzo zaawansowanym technologicznie i bardzo skutecznym w walce z samolotami wroga. Po ich zastosowaniu ilość zestrzeleń wzrasta ponad 10 krotnie. Do czasu masowego zastosowania Fuse w 1943 roku trzeba było średnio wystrzelić na jeden upolowany samolot 2500 pocisków. Fuse użyto także w pociskach artyleryjskich którymi Amerykanie ostrzeliwali oddziały niemieckie na przełomie 1944 i 45 roku. Wypełnione drobnymi szrapnelami pociski eksplodujące kilka metrów nad Ziemią siały spustoszenie. W projekcie i produkcji Proximity Fuse uczestniczyło ponad dwa tysiące amerykańskich firm a w tym czołowe koncerny ! Fuse miał cztery specjalne miniaturowe lampy elektronowe. Później Proximity Fuse zastosowano w rakietach przeciwlotniczych i przeciwpancernych. Samosterująca się w końcowej fazie lotu rakieta przeciwlotnicza eksploduje przelatując obok samolotu ( z uwagi na ogromną wzajemną prędkość szansa bezpośredniego trafienia jest znikoma ) tak jak wcześniej pociski artyleryjskie.

Technologia PCB została cywilnym firmom udostępniona w 1948 roku ale szerzej zaczęto ją stosować dopiero w latach pięćdziesiątych w przenośnych radioodbiornikach tranzystorowych a później w komputerach. Popularność płyt drukowanych szła symbiotycznie razem z rozwojem maszyn do automatycznego montażu elementów na PCB. Płyty do elementów montowanych powierzchniowo SMD ( nazywano je hybrydowymi ) w zastosowaniach specjalnych robiono już w latach sześćdziesiątych a obecnie technologia SMD bardzo zyskuje na popularności.

Najtańsze i najgorsze są laminaty papierowo fenolowe. Lepsze i droższe są laminaty szklano - epoksydowe. Do celów specjalnych stosowany jest teflon i poliamidy. Laminat jest charakteryzowany wytrzymałością mechaniczną i termiczną, odpornością na wilgoć, wytrzymałością dielektryczną oraz współczynnikiem stratności istotnym w układach radiowych.

Grubość warstwy miedzi na PCB wynosi od 18 do 105 um. Gruba warstwa miedzi stosowana jest w układach gdzie płyną znaczne prądy na przykład w energoelektronice.

Pierwszy program do projektowania PCB skonstruowano w koncernie IBM na początku lat sześćdziesiątych.

W 1987 roku wartość produkcji PCB w świecie przekroczyła 12 mld dolarów i szybko rośnie.”

Pierwszy 4 bitowy monolityczny mikroprocesor Intel wyprodukował w 1971 roku. 16 bitowy procesor minikomputera angażował 100-250 układów scalonych. Gdy udało się umieścić te układy na jednej dużej płycie drukowanej nazwano to mikroprocesorem i nazwę te przeniesiono na układ scalony.

Prosty mikrokomputer zbudowany z układów VLSI na jednej płycie drukowanej nazwano SBC – Single Board Computer.

Płyta drukowana jest formą integracji ale znacznie różni się od integracji monolitycznej. Wada w chipie z reguły go eliminuje całkowicie. Wyjątkowo niesprawna jedna połowa matrycy dynamicznej pamięci pojemności 64K pozwala ją tanio sprzedawać jako pamięć pojemności 32k w dwóch odmianach zależnie od tego która część pamięci jest niesprawna. Takie pamięci stosowano w komputerku ZX Spectrum.

Na wadliwej płycie drukowanej PCB może być niedotrawiony włosek miedzi lub ścieżka może być podtrawiona nawet w sposób niewidoczny gołym okiem. Złożone płyty drukowane PCB są po produkcji testowane a szczelność testu może być bardzo duża. W Japonii i Korei produkowane są na jednej dużej płycie drukowanej odbiorniki TVC z kineskopem o przekątnej do 21' nie wymagającym korekcji zniekształcenia „poduszki” czyli pincushion. Taka skomplikowana płyta drukowana musi być inteligentnie testowana aby przy jednym uszkodzeniu ( wadliwa PCB, wadliwy, zamieniony lub brakujący element) nie doszło do kaskady uszkodzeń a nawet dewastacji. Po wstępnej bezpiecznej diagnozie płyty (musi być sprawny zasilacz impulsowy SMPS i układ odchylania poziomego H-Out bowiem posiadają one dużą moc destrukcji ) jest ona strojona lub kierowana do techników do naprawy. Z grubsza sprawną płytę montujemy w obudowie TVC z kineskopem i głośnikami. Położenia potencjometrów i rdzeni obwodów LC ustawiamy w typowym położeniu zestrojonych odbiorników. Odbiornik ma przecież znakomitą własność prezentacji swoich parametrów ! Większość regulacji dotyczy przecież tylko konkretnego egzemplarza kolorowego kineskopu. Aby odbiornik zaczął w ogóle działać działać musi być ustalone napięcie zasilania z SMPS i wstępnie zestrojony musi być tylko obwód scalonego demodulatora wizji 38/38.9 MHZ

Budowa modułowa złożonej elektroniki ma swoje zalety i wady. Wadami jest użycie par wtyk i gniazdo i znacznie większa sumaryczna powierzchnia płytek drukowanych oraz nakład pracy. Długie przewody zbierają zakłócenia i je emitują, wymagane może być ich dopasowanie „falowe” a nawet użycie przewodów ekranowanych oraz driverów i odbiorników. Testowanie nieskomplikowanych modułów jest łatwe i łatwiejsza jest też naprawa systemu, na przykład odbiornika TVC. W dacie gdy filtr częstotliwości pośredniej wizji wykonany był na wielu elementach LC strojenie osobnego modułu wzmacniacza IF wydawało się oczywistością. Ale filtry LC zostały zastąpione przez znacznie lepszy filtr z akustyczną fala powierzchniowa SAW a cała funkcjonalność toru pośredniej częstotliwości mieści się na ułamku dawniej wymaganej powierzchni PCB. Filtry LC w torze częstotliwości pośredniej fonii zastąpił filtr ceramiczny. Scalony detektor koincydencyjny wymaga co prawda jednego strojonego obwodu LC w miejsce dwóch obwodów LC detektora stosunkowego lub detektora fazy ale przecież można obyć się bez tego obwodu stosując w całości scaloną pętle regulacji fazowej PLL jako demodulator. Szumy scalonych generatorów RC udało się bardzo mocno zmniejszyć. Unikamy stosowania obwodu LC i jego strojenia. W odbiorniku wielosystemowym mikrokontroler może ławo zmienić częstotliwość generatora w demodulatorze PLL. Już obecnie jest możliwe scalenie w jednym układzie wszystkich funkcji sygnałowych prostego odbiornika TVC ! Także demodulatory kolorów PAL i Secam można wykonać na zintegrowanych pętlach PLL. Natomiast telewizyjna głowica VHF/UHF musi być wyodrębniona ponieważ wymaga szczelnego ekranowania.

Widać że integracja monolityczna ( przykładowo filtr SAW wykonany jest z użyciem fotolitografii ) wspomaga integracje na poziomie płyty drukowanej PCB !

Na jednej dwustronnej płycie PCB z użyciem elementów SMD zmontowany jest kompletny serwo wzmacniacz firmy Seidel. Przewidziano w nim odpowiedni hardware do bezpiecznego przetestowanie i uruchomienia ! Ten serwo wzmacniacz jest skali komplikacji odbiornika TVC ale przykład odbiornika TVC pokazuje że jednopłytowe PCB systemy obejmuje także systemy złożone.

W monolitycznych układach scalonych integrowane są tranzystory NPN, PNP, NJfet, PJfet, NMos, PMos, dwubramkowe Mosfety, diody, diody Zenera, rezystory i kondensatory o pojemności do 50pF.

Współcześnie wymienione elementy monolitycznego systemu VLSI można alternatywnie także połączyć na płycie drukowanej lub podłożu układu hybrydowego elementy dyskretne lub scalone układy SSI, MSI, LSI. Zupełnie inna jest specyfika schematu układu scalonego a inna układu dyskretnego. W tranzystorowym wzmacniaczu częstotliwości pośredniej punkt pracy tranzystorów jest wyznaczony rezystorami i konieczne jest użycie kondensatorów. W scalonym wzmacniaczu – demodulatorze używa się połączonych bezpośrednio par różnicowych bo nie sposób wykonać kondensatorów do blokowania.

Funkcje scalonego mikrokontrolera może spełniać układ na płycie drukowanej składający się z procesora CPU, pamięci ROM i RAM, portów równoległych PIO, zegarów CTC, interfejsów szeregowych UART, interfejsów szeregowych I2C, SPI, układy modulatorów PWM, przetworników A/D z multiplexerem , przetworników D/A oraz dekodera adresowego i zatrzasków multipleksowanych busów Adres/Data - latchy oraz buforów i ich Glue Logic.

Rozbudowane i wydajne mikrokontrolery są drogie ale system zbudowany z wymienionych układów jest znacznie droższy, większy, pobiera dużo więcej mocy i jest znacznie bardziej awaryjny. Oczywiście mikrokontrolery mają też zintegrowane specjalistyczne interfejsy jak CAN (Controled Area Network) do (głównie) samochodów oraz OSD ( On Screen Display) do prezentowania napisów i prostej grafiki na ekranie kineskopu oraz dekodery zdalnego sterowania pilotem.

Ale są przeszkody w integracji.

„Procesorową” technologią NMOS/CMOS zdecydowanie nie można wydajnie wytworzyć pamięci dynamicznych DRAM i Pamięci Eprom. Zwróćmy uwagę że pojemności statycznych pamięci RAM w mikrokontrolerach są śmiesznie małe na tle pojemności pamięci DRAM.

W układach analogowych tranzystor mocy jest maksymalnie na 10-24A, 80V i 100 Watt. Zatem scalone sterowniki do małych silników BLDC i krokowych będą coraz popularniejsze ale w energoelektronice mocny klucz nie będzie monolitycznie scalony z driverem a tym bardziej mikrokontrolerem.

W dacie wprowadzania rodzin komputerowego systemu IBM S360 produkowane były już monolityczne układy logiczne SSI ale kierownictwo IBM nie miało przekonania do ich niezawodności i stosowano własnej produkcji układy hybrydowe SLT – „Solid Level Technology”, w których stosowano nieobudowane chipy tranzystorów. Ale w późniejszych najszybszych maszynach rodziny stosowano już komercyjne układy scalone ECL.

Współcześnie w grubowarstwowych układach hybrydowych stosowane są nieobudowane struktury półprzewodników lub obudowane w miniaturowe obudowy SMD dawniej nazywane elementami do układów hybrydowych. Obudowane miniaturowe elementy SMD równie dobrze można montować na gęstej płycie drukowanej PCB.

W modułowych tranzystorach mocy Darlingtona równolegle połączonych jest kilkanaście do kilkudziesięciu struktur Darlingtonów i szybkich diod na prąd kolektora 10-15 A bowiem tylko takie udaje się wyprodukować przy sensowym uzysku produkcyjnym. Druty łączące emitery są rezystorami wyrównawczymi. Struktury tranzystorów są wcześniej selekcjonowane na grupy aby dobrze pracowały równolegle.

W Polsce produkowano prymitywne modułowe układy logiczne Logister do automatyki przemysłowej ale nie były to układy hybrydowe ale zmontowane na płytce drukowanej. Tranzystory mocy zastosowano w układzie hybrydowym GML024 będącym licencyjną kopią układu wzmacniacza typu STK015 japońskiego koncernu Sanyo stosowanego w licencyjnym odbiorniku Elizabeth. Linię rozszerzono o wzmacniacze mocy audio GML025 i 026. W układach tych nie stosowano jednak struktur tranzystorów mocy ale tranzystory już umocowane przez producenta do płytek o rozmiarze 10 x 10 mm lub w obudowach TO220. Nie stosowano struktur tranzystorów małosygnałowych ale tranzystory w obudowie SMD. Sanyo ma największą w świecie ofertę hybrydowych wzmacniaczy mocy audio ale cel ich stosowania jest dość wątpliwy. Układy mocowane są często w pionie i oszczędza się miejsce na płycie drukowanej PCB. Także proste jest mocowanie układu do radiatora dwoma śrubami podczas gdy tranzystory mocy trzeba mocować z podkładkami izolacyjnymi i akcesoriami.

Nowością są izolowane całoplastikowe FP (Full Plast) zmodyfikowane obudowy TO220 i TOP3. Metalowy spód obudowy pokryty jest cienką warstwą plastiku z wypełniaczem dobrze przewodzącym ciepło. Rezultaty nie są rewelacyjne. Moc strat najmocniejszych tranzystorów w obudowie TO220 wynosi 150 W a w tej obudowie FP 30W. Moc 150W jednak spada po zastosowaniu izolacyjnej podkładki montażowej. Moc strat w obudowie TOP3 FP wynosi 50W i jest już całkiem niezła. Zatem obudowy te dobrze nadają się do zastosowań elementów jako klucze energoelektroniczne gdzie straty mocy są ograniczane. Obudowa izolowana jest droższa ale niewiele.

Diody, tranzystory i proste układy scalone oferowane są także jako same chipy do układów hybrydowych. Przykładowo chip popularnej diody rodziny 1N400X waży 93 mikrogramy a chip mocniejszej 3 Amperowej diody rodziny 1N540X waży 302 mikrogramy.

Firma International Rectifier sprzedaje też w hermetycznym opakowaniu struktury tranzystorów Power-Mos. W Katalogu IR na lata 1982-83 rekomenduje sposób ich montowania. Struktura tranzystora mocy musi być bardzo staranie umocowana bowiem brak odprowadzenia ciepła od fragmentu struktury jest zabójczy. Struktury tranzystorów łapie się podciśnieniowym manipulatorem z końcówką z teflonu aby jej nie naruszyć.

Strukturę Hexfeta należy do materiału podłoża przylutować lutowiem PbSn 95/95 lub PbAgIn 92.5/2.5/5 lub dedykowanym innym. Przechowaną strukturę której spodni Dren jest chromowo-niklowo-srebrny należy wpierw płukać w zdemineralizowanej wodzie a następnie dwukrotnie w alkoholu izopropylowym i wysuszyć w azocie w temperaturze 70 C. Podłożem do zamocowania może być miedź, poniklowana miedź, pozłocony molibden, aluminium lub beryl lub ich tlenki. Tlenki z podłoża muszą być usunięte czyszczeniem chemicznym lub „wypalone” atmosferze wodoru. Lutowanie przeprowadza się w piecu przepływowym. Czas i temperatura zależy od wielkości struktury i ilości lutu. W temperaturze 350-400C czas procesu nie może przekroczyć 1 minuty. W piecu stosuje się ochronną atmosferę wodorowa ale dopuszczalna jest tańsza mieszanka azotu z wodorem 85/15%. Ultradźwiękowe spawanie na chipie pola Bramki i Drenu jest dość proste. Grubość drutu AlSi 99/1 jest tym większa im większe jest dedykowane pole na chipie czyli prąd tranzystora. Jeśli test wykaże że któreś mocowanie drutu się nie udało można je powtórzyć wraz z deratingiem wyprodukowanego układu hybrydowego. Finalnie strukturę czyszczą pary freonu. Jeśli obudowa układu hybrydowego nie będzie metalowo - ceramiczna czyli hermetyczna i napełniona gazem szlachetnym to strukturę półprzewodnika należy zabezpieczyć pokryciem Dow Corning RTV3140 lub podobnym.

Zwróćmy uwagę że w serwomechanizmach użytych automatów daje się zastosować wydajnie sterowane i forsowane hybrydowe silniki krokowe.

Modułowe tranzystory Darlingtona także jako półmostki lub mostki trójfazowe są z reguły izolowane od podstawy. Tlenek Berylu BeO jest znakomitym dielektrykiem i lepiej przewodzi ciepło niż miedź ! Ale jest drogi a jego pył jest toksyczny dla płuc. Z tego względu stosowany jest on tylko tam gdzie jest niezastąpiony a dziedzin jest sporo i wszystkie one łączą się z dużymi pieniędzmi. Do tranzystorów mocy nie RF stosowany jest często Al2O3 lub inne substancje.

Suma sumarum. Wykonanie modułu mocy ze struktur tranzystorów Darlingtona lub IBGT i oczywiście szybkich antyrównoległych diod nie jest proste ale nie jest też trudne. Technologia nie jest stricte próżniowa ale już blisko tego. Sens ma tylko masowa produkcja. Potężny wielobranżowy koncern Mitsubishi integruje hybrydowo swoje Darlingtony w moduły mocy tak samo jak Fuji głównie dla związanego z nim potężnego potentata w CNC i robotyce, Fanuc.

Obudowa wyznacza maksymalną wielkość zamontowanego w niej chipa lub chipów. W obudowie TOP3 lub TOP3 FP tranzystor Darlingtona lub BGBT może być maksymalnie na prąd circa 50A. Tranzystory mogą być zamontowane na krawędzi płyty drukowanej PCB ( z grubą warstwą miedzi ) i izolowane wspólnie jednym odcinkiem taśmy termoprzewodzącej pokrytej smarem silikonowym na radiatorze. Tranzystory mogą być wspólnie dociśnięte przez PCB lub bezpośrednio odcinkiem sztywnego kątownika. Czynności montażowe da się zautomatyzować i pracochłonność montażu może być mała. Zatem trójfazowy inverter mocy paru kilowatów do silnika serwomechanizmu da się wykonać bez modułów mocy w konwencji jednopłytowej.

Wydaje się że moduł trójfazowego kluczy winien też być hybrydowo scalony z monolitycznymi driverami tak aby był sterowany sygnałem logicznym i samobezpieczny to znaczy bez znacznego przekroczenia napięcia zasilania niezniszczalny.

Monolityczne układy scalone, ścieżki na podłożach układów hybrydowych i ścieżki na płytach PCB wykonane są technologią fotolitografii ale o rożnej i stale rosnącej rozdzielczości.

N.B. Polska mając licencyjna RCA fabrykę kineskopów kolorowych, dobrej jakości nowoczesne, jednopłytowe odbiorniki telewizyjne TVC 21-22' powinna produkować, głównie na eksport, milionami sztuk !