綜合因素對(duì)模塊封裝設(shè)計(jì)的影響

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

新一代航空電子體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展明確了綜合化、資源共享、系統(tǒng)重構(gòu)和二級(jí)維護(hù)等要求[1]，這些要求又突出了此類(lèi)航電系統(tǒng)中模塊化的特點(diǎn)。這種綜合模塊化的航空電子以模塊化為核心，模塊不再單單是安裝有電路元器件的PCB板加上金屬殼體的簡(jiǎn)單概念，而是在高級(jí)軟件程序控制下的具有標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式和接口的現(xiàn)場(chǎng)可更換模塊(LRM)。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，綜合模塊化航空電子系統(tǒng)(IMA)的結(jié)構(gòu)模型可以簡(jiǎn)單描述為L(zhǎng)RM加模塊化綜合機(jī)架(MIR)，其中的LRM需要提供電氣接口、機(jī)械接口和環(huán)境接口，這三個(gè)方面的內(nèi)在因素共同確定了LRM外形尺寸、安裝和使用方式、性能等，這些具體影響的綜合及體現(xiàn)在LRM物理結(jié)構(gòu)的詳細(xì)規(guī)定就是模塊的封裝。

作為電氣功能的物理載體，模塊的封裝成為熱、振動(dòng)和電磁等多個(gè)學(xué)科高度融合、關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的成果，其實(shí)質(zhì)是多種內(nèi)部、外部因素彼此影響、協(xié)調(diào)、關(guān)聯(lián)的綜合結(jié)果。本文將對(duì)這些綜合性的因素進(jìn)行深入探討。

2 國(guó)內(nèi)外模塊封裝概況

最初開(kāi)展模塊化工程的是美國(guó)。從20世紀(jì)60年代起，美國(guó)海軍就針對(duì)船用和潛艇用電子設(shè)備開(kāi)始模塊化技術(shù)研究，先后發(fā)布了MIL-M-28787D《標(biāo)準(zhǔn)電子模塊總體規(guī)范》，并配合MIL-STD-1389D《標(biāo)準(zhǔn)電子模塊設(shè)計(jì)要求》和MIL-STD-1378E《標(biāo)準(zhǔn)電子模塊使用要求》，定義了代號(hào)為SEM的LRM模塊，并在地面、海上和航空領(lǐng)域得到了廣泛使用[2]。

20世紀(jì)70年代，美國(guó)開(kāi)展了“寶石柱”(Pave Pillar)計(jì)劃，對(duì)以超高速集成電路和通用模塊為基礎(chǔ)的綜合式航電系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究。至90年代，作為前者延續(xù)的“寶石臺(tái)”(Pave Pace)計(jì)劃則為F-22戰(zhàn)斗機(jī)任務(wù)電子系統(tǒng)的研制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。SEM-E模塊標(biāo)準(zhǔn)隨這些計(jì)劃得到了應(yīng)用和充實(shí)[2]。

其后的F-35項(xiàng)目中，美國(guó)軍方為降低成本更多地推廣COTS技術(shù)，在航電系統(tǒng)中采用了歐式板卡的模塊標(biāo)準(zhǔn)VITA。

20世紀(jì)90年代初期，歐洲主要軍事強(qiáng)國(guó)(英、法、德三國(guó))組建了聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)航電體系委員會(huì)(ASAAC)，開(kāi)始發(fā)展自己的模塊標(biāo)準(zhǔn)體系，分I、II兩個(gè)階段開(kāi)展研究工作，于2005年完成了全套標(biāo)準(zhǔn)草案。

國(guó)內(nèi)相關(guān)單位在20世紀(jì)90年代初期就已開(kāi)展了LRM模塊的技術(shù)摸索工作，但到目前為止仍未系統(tǒng)地建立起有關(guān)LRM的完整標(biāo)準(zhǔn)體系。

國(guó)內(nèi)對(duì)模塊標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用主要參考了SEM-E和ASAAC的封裝尺寸要求,而對(duì)模塊功能的定義還停留在按系統(tǒng)劃分的模式，屬于安裝有集成塊和元器件的印制電路板，符合以往聯(lián)合式航電系統(tǒng)中LRU的設(shè)備構(gòu)成習(xí)慣。往往隨航電系統(tǒng)的不同，采用不同標(biāo)準(zhǔn)，包括機(jī)械接口、環(huán)境接口和電氣接口等方面。

國(guó)內(nèi)通過(guò)對(duì)SEM模塊標(biāo)準(zhǔn)的直接翻譯、引用，制定了GJB 1422-1992《標(biāo)準(zhǔn)電子模塊總規(guī)范》、HB 7091-94《機(jī)載設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)電子模塊的設(shè)計(jì)要求》和HB 7092-94《機(jī)載設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)電子模塊的采用要求》等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)航空電子模塊的封裝、使用等進(jìn)行了初步的規(guī)范[2]。

3 模塊封裝因素分類(lèi)

關(guān)鍵因素對(duì)LRM封裝的影響可以用圖1來(lái)表達(dá)。

圖1 影響LRM封裝因素的層次Fig.1 The hierarchy factor of the LRM package

內(nèi)在因素和外部因素對(duì)模塊封裝構(gòu)成了約束關(guān)系。

一個(gè)LRM提供的完整封裝所包含的要素內(nèi)容主要體現(xiàn)為接口，即機(jī)械接口、電氣接口和環(huán)境接口3個(gè)方面。其中，機(jī)械接口是指LRM的結(jié)構(gòu)外形、安裝使用及電氣和環(huán)境接口的物理尺寸規(guī)定，電氣接口是LRM對(duì)外實(shí)現(xiàn)電氣信號(hào)傳輸、接收的電連接器規(guī)定，環(huán)境接口則是LRM上定義的滿(mǎn)足外部振動(dòng)、沖擊、冷卻、電磁兼容等要求的規(guī)定。這是LRM封裝內(nèi)在因素的直觀物理表達(dá)。

作為電子系統(tǒng)獨(dú)立功能載體的LRM需要滿(mǎn)足系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)的安裝與拆卸、電子元器件的排布、電氣互連與信號(hào)傳輸、環(huán)境適應(yīng)性、功能指標(biāo)的測(cè)試、重量分配與限制等方面的要求。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化、兼容性及社會(huì)技術(shù)支持度也給LRM的封裝帶來(lái)了制約性的影響。這些構(gòu)成了LRM封裝形成的外部因素。

應(yīng)該看到的是外部因素、模塊封裝和內(nèi)在因素之間的關(guān)系不能簡(jiǎn)單地理解為圖1中3個(gè)圓面積的嵌套，三者之間是由內(nèi)向外和由外向內(nèi)各因素互動(dòng)約束、疊加和妥協(xié)的關(guān)系。

4 模塊封裝的構(gòu)成

LRM封裝的物理模型可以用圖2所示的示意圖來(lái)描述。

圖2 LRM封裝模型Fig.2 Package model of LRM

在空間坐標(biāo)系中，一個(gè)典型的LRM需要在X、Y、Z3個(gè)軸向的尺寸上定義一個(gè)可以支持結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的要素。通常，我們是將圖2中LRM沿Z軸從D面到C面的尺寸z1和沿X軸從模塊后板到模塊前板的尺寸x1加以規(guī)定，并將z1×x1作為L(zhǎng)RM封裝的形狀因子。然后，在這一封裝因子的基礎(chǔ)上加入連接器、鎖緊裝置、插拔裝置、模塊厚度、導(dǎo)向定位及模塊冷卻等各個(gè)方面的定義，從而以這些外圍因子與形狀因子的集合構(gòu)成完整的模塊封裝規(guī)定。這一模塊封裝思路可用圖3來(lái)表示。

圖3 LRM封裝思路Fig.3 The way to package implementation of LRM

模塊封裝的外圍因子中，模塊厚度和電連接器的規(guī)定是以電子系統(tǒng)對(duì)模塊功能分類(lèi)、內(nèi)部元器件規(guī)格、信號(hào)數(shù)量和類(lèi)型以及系統(tǒng)軟件框架要求為基礎(chǔ)的，這兩類(lèi)封裝因子是構(gòu)成LRM結(jié)構(gòu)系列化的原因，而其它封裝因子(包括模塊的形狀因子)則是LRM實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)。

在最理想的狀態(tài)下，模塊封裝中的厚度和電連接器兩個(gè)因子唯一確定時(shí)，電子系統(tǒng)的LRM實(shí)現(xiàn)了最高程度的標(biāo)準(zhǔn)化。這種狀態(tài)的模塊化還連帶實(shí)現(xiàn)了模塊化集成安裝機(jī)架的標(biāo)準(zhǔn)化，最大程度地簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、管理和質(zhì)量多個(gè)方面獲得極大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 封裝因子的關(guān)聯(lián)

模塊封裝因子的具體結(jié)果是對(duì)模塊封裝各類(lèi)因素的反映，是由后者約束和決定的。同時(shí)，各個(gè)封裝因子之間又是相互聯(lián)系而非獨(dú)立作用的。

模塊的導(dǎo)向定位、鎖緊裝置、插拔裝置、電連接器的外框結(jié)構(gòu)、模塊形狀因子和模塊厚度形成了模塊的機(jī)械接口。

模塊的導(dǎo)向定位由模塊導(dǎo)向肋片和定位銷(xiāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，承載模塊的機(jī)架/機(jī)箱提供安裝槽、間隙和定位孔。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高定位精度，通常采用模塊導(dǎo)向肋片完成初步導(dǎo)向，模塊后端電連接器外框上的定位/識(shí)別裝置完成精確定位的方式，這樣就將電連接器和導(dǎo)向定位兩個(gè)封裝因子關(guān)聯(lián)起來(lái)。

模塊的鎖緊裝置一般采用膨脹性的楔形鎖緊條，安裝于模塊導(dǎo)向肋片上實(shí)現(xiàn)模塊的緊固安裝；而導(dǎo)向肋片同時(shí)又提供模塊冷卻界面的作用；模塊后板位置的電連接器與機(jī)架/機(jī)箱母板連接器的嚙合也構(gòu)成了模塊的固定環(huán)節(jié)。這3個(gè)因子之間彼此關(guān)聯(lián)影響，提供了模塊的環(huán)境接口，滿(mǎn)足模塊在系統(tǒng)所處外部環(huán)境條件下的工作。

模塊的冷卻方式主要有傳導(dǎo)、風(fēng)冷和液冷3種，因模塊熱耗散功率的不同進(jìn)行選擇。不管采用何種散熱方式，模塊內(nèi)部元器件的熱量均要通過(guò)相應(yīng)的熱流通路傳導(dǎo)至機(jī)箱/機(jī)架提供的熱沉帶走。熱流通路可以是模塊導(dǎo)向肋片、模塊殼體散熱齒或者是穿透式液冷冷板，而這些都反映在模塊厚度因子的規(guī)定上。

模塊在機(jī)架/機(jī)箱上的插入與拔出需要通過(guò)特定的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)形式多有不同，但設(shè)計(jì)上尺寸要素需要與連接器的配合尺寸關(guān)聯(lián)。

模塊封裝的形狀因子一方面決定于載機(jī)平臺(tái)對(duì)機(jī)架/機(jī)箱[4]的空間、安裝和重量的要求，另一方面受到元器件、集成度和工藝水平等社會(huì)支持度的制約。前者將形狀因子和模塊厚度壓縮，后者則使其放大。

模塊封裝各個(gè)因子之間復(fù)雜的關(guān)聯(lián)以及外部因素的限制，使得實(shí)現(xiàn)模塊封裝的完美設(shè)計(jì)幾乎不可能。最終確定模塊封裝的方式必須是由外部因素為主，各個(gè)因子之間配合、妥協(xié)的結(jié)果。

6 模塊封裝的設(shè)計(jì)過(guò)程

模塊封裝的設(shè)計(jì)過(guò)程不是簡(jiǎn)單的封裝選用，其步驟如圖4所示。

圖4 模塊封裝設(shè)計(jì)步驟Fig.4 The design process of package

第一，進(jìn)行系統(tǒng)的需求分析。結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)完成模塊分類(lèi)、模塊數(shù)量和模塊功能需求[3]。電子系統(tǒng)的模塊分類(lèi)是最為重要的環(huán)節(jié)，反映的是系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)思路，通?？煽紤]兩種劃分方式：一種是以硬件劃分為主，在繼承已有綜合化系統(tǒng)LRU類(lèi)型設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)成的基礎(chǔ)上進(jìn)行模塊分類(lèi)，并完成模塊數(shù)量統(tǒng)計(jì)及功能需求，如圖5所示；另一種則是以系統(tǒng)功能劃分為主，通過(guò)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的調(diào)用和組合實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能的集成，如圖6所示。

兩種方式中，前者所依賴(lài)的技術(shù)成熟，可靠性高，同時(shí)比較符合國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)習(xí)慣和技術(shù)能力，后者對(duì)軟件及模塊的通用性設(shè)計(jì)要求更高。

圖5 模塊分類(lèi)設(shè)計(jì)方法1Fig.5 Classified design methodology 1 of the module

圖6 模塊分類(lèi)設(shè)計(jì)方法2Fig.6 Classified design methodology 2 of the module

第二，連接器的設(shè)計(jì)/選型[1]。連接器是LRM電氣功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是LRM封裝的重要內(nèi)容。模塊連接器的具體設(shè)計(jì)及選型反映的是模塊功能需求對(duì)信號(hào)數(shù)量、類(lèi)型的要求，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者而言，這方面的要求很大程度上取決于社會(huì)廣泛的技術(shù)支持度。當(dāng)模塊的功能需求造成電氣互聯(lián)關(guān)系復(fù)雜而超出了連接器設(shè)定狀態(tài)時(shí)，通常應(yīng)對(duì)模塊的分類(lèi)進(jìn)行調(diào)整。

第三，模塊封裝的形狀因子。歐美國(guó)家已有LRM封裝標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模塊封裝的定義是我們進(jìn)行模塊形狀因子預(yù)設(shè)的參考。SEM-E和ASAAC是國(guó)內(nèi)借鑒最多的模塊設(shè)計(jì)。在預(yù)設(shè)模塊形狀因子參數(shù)后可以完成預(yù)期的LRM和機(jī)架/機(jī)箱方案設(shè)計(jì)，對(duì)載機(jī)平臺(tái)提出初步裝機(jī)需求。

第四，載機(jī)平臺(tái)的需求分析。國(guó)內(nèi)航空平臺(tái)正處于加速更新?lián)Q代的階段，涉及到航電系統(tǒng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)尚未固化下來(lái)。平臺(tái)對(duì)電子系統(tǒng)的安裝空間、安裝方式、電氣連接以及環(huán)控資源的限制很大。以某產(chǎn)品為例，其結(jié)構(gòu)形式為圖7所示的雙層模塊化綜合機(jī)架。

圖7 雙層模塊化綜合機(jī)架Fig.7 Integrated two-layer modularization rack

機(jī)架結(jié)構(gòu)形式上所反映的空間尺寸及接口要求均來(lái)自于飛機(jī)平臺(tái)的嚴(yán)格限制，并將這種限制層層加載到模塊的封裝上[4]。

第五，完成模塊的封裝標(biāo)準(zhǔn)。最終階段模塊封裝標(biāo)準(zhǔn)的完成，還需明確通用件設(shè)計(jì)/使用、冷卻方式、連接器安裝和模塊在機(jī)架安裝使用相關(guān)參數(shù)的規(guī)定。

LRM封裝設(shè)計(jì)的完成應(yīng)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)90%以上功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)為目標(biāo)，對(duì)于系統(tǒng)中確有特殊要求的LRM應(yīng)選用其它封裝標(biāo)準(zhǔn)或是設(shè)計(jì)成特殊尺寸的模塊。這種方式可以有效避免因過(guò)多考慮系統(tǒng)LRM統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化而造成的技術(shù)難度、重量、體積和成本增加等多方面的難題。

7 結(jié) 論

LRM模塊封裝設(shè)計(jì)是受到多種因素的綜合性影響的，應(yīng)該根據(jù)模塊封裝因子要素及其對(duì)應(yīng)的已有成熟技術(shù)的技術(shù)支持度，有傾向性地選擇構(gòu)成。特別是應(yīng)充分考慮各個(gè)封裝因子所受外部、內(nèi)在因素的約束，確定以某一因子為核心，考慮其對(duì)應(yīng)因素類(lèi)型，然后再選擇實(shí)現(xiàn)其它封裝因子。

目前，適合新一代戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)的模塊封裝設(shè)計(jì)還處于早期階段，國(guó)外的模塊封裝標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該只作為設(shè)計(jì)的參考標(biāo)準(zhǔn)，必須立足于國(guó)內(nèi)元器件和加工制造等基礎(chǔ)領(lǐng)域的實(shí)際水平，必要時(shí)完全可以采用新的形狀因子來(lái)開(kāi)展LRM模塊封裝的研究工作。

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