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)設計外殼和其他機械結(jié)構(gòu)提出了巨大的挑戰(zhàn)，尤其是在針對移動應用時。減小尺寸、重量和功耗（SWaP）的要求使得在電子封裝設計領域工作的機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，例如最小化尺寸同時為Vibe隔離模塊/組件提供足夠的搖擺空間，在保持結(jié)構(gòu)高剛性同時最小化重量以及其他細節(jié)。我們將介紹SWaP降低要求和振動隔離系統(tǒng)設計的限制。但是，更詳細的審查將需要單獨的條款。

介紹

對微音敏感的設備和/或組件通常用于現(xiàn)代電子系統(tǒng)和子系統(tǒng)。當此類系統(tǒng)或子系統(tǒng)用于移動應用（例如導彈、飛機或艦載用途）時，需要保護微音敏感器件免受沖擊和振動，以減少電氣性能的下降，例如相位噪聲、雜散等。這可以通過被動或主動氛圍隔離系統(tǒng)來實現(xiàn)。主動振動隔離系統(tǒng)通常需要更大的空間，比被動式隔離系統(tǒng)更重，并且需要功率，這在移動系統(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式振動隔離系統(tǒng)的應用。但是，此處提出的大多數(shù)建議將提高采用主動氛圍隔離的系統(tǒng)/子系統(tǒng)的性能。

背景

電子系統(tǒng)/子系統(tǒng)的所有機械結(jié)構(gòu)都可以被視為機械振蕩器，因為它的無支撐部分，在下一個更高級別的組件的連接點之間，將在負載下偏轉(zhuǎn)。如果這種外部載荷本質(zhì)上是周期性的，例如機身或船體的振動，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。結(jié)構(gòu)越剛，固有頻率越高。質(zhì)量越高，固有頻率越低。與簡單的諧波運動類型的響應相關的結(jié)構(gòu)的上述屬性之間的這種關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)設計

用于安裝環(huán)境隔離、微音敏感設備的結(jié)構(gòu)通常用作子系統(tǒng)或整個系統(tǒng)的底盤。為了從被動氛圍隔離系統(tǒng)中獲得最佳性能，設計盡可能堅固的底盤是有益的。這將使結(jié)構(gòu)的諧振頻率盡可能遠離振動隔離介質(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，必須包括安裝在其上的所有模塊的質(zhì)量和/或點負載。在這個階段，使用有限元分析（FEA）軟件來確定固有頻率似乎更實用。

圖1.載板在振動下的有限元分析模型（ANSYS）。

理想情況下，固有頻率（fn）的整個結(jié)構(gòu)應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)運行的現(xiàn)代設備，這幾乎是不可能的。盡管如此，還是建議推動盡可能高的 fn的結(jié)構(gòu)，以盡量減少這種結(jié)構(gòu)在沖擊和振動下的線性位移。

在新設計的情況下，在結(jié)構(gòu)的每一側(cè)使用多個安裝點有助于保持 fn相當高。但是，實現(xiàn)更高的f可能更困難n當人們正在研究嵌入式替換設計時，安裝點通常彼此相距很遠，因為每個下一代系統(tǒng)/子系統(tǒng)都比前一個系統(tǒng)/子系統(tǒng)更小更輕。這需要跨越相當長的距離，這通常與結(jié)構(gòu)的較低固有頻率相對應。

利用圍護結(jié)構(gòu)的全貌來提高結(jié)構(gòu)的剛度

通常，從事移動應用包裝設計的機械工程師被迫根據(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，但對于采用被動氛圍隔離系統(tǒng)的設計來說，這將是一個糟糕的權(quán)衡。在這些情況下，蓋板高度（或外殼深度）是影響結(jié)構(gòu)剛度的最強大因素之一。斯坦納的平行軸定理很好地描述了這種關系。

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/振動環(huán)境中的響應的非常有效的方法。

材料組

雖然機械工程師在為印刷電路板、微波基板、表面貼裝元件或相關項目選擇材料方面幾乎沒有影響力，其中主要驅(qū)動力是電氣性能，而不管結(jié)構(gòu)特性如何（本質(zhì)上，從結(jié)構(gòu)角度來看，將設計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)特性進行選擇。

很多時候，選擇密度最低的材料（從這個角度來看，鋁和鎂相當受歡迎），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。從這個角度來看，鋁和鋼的吸引力大致相同，因為兩者的比剛度大致相同。在我們的一項實驗中，鋁制加勁肋被鋼加勁肋取代以進行比較。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，最終設計選擇了鋁。

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間和成本。其他的可以使用傳統(tǒng)的CNC銑床（如CE7和CE11）進行加工，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)點是比剛度。這些材料的楊氏模量比鋁高得多，同時具有大致相同的密度。缺點包括成本高和此類材料的供應商數(shù)量有限，這使得采用此類材料的設計難以降低成本。

表1中的比較顯示了為什么鋁是首選材料，因為它的經(jīng)濟實惠，易于加工，發(fā)達的電鍍工藝和其他優(yōu)點。鉆石僅作為參考點添加。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

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

圖2.微音敏感設備的首選位置。

將 Vibe 隔離有效載荷直接放置在下一個更高級別的組件的幾何中心具有挑戰(zhàn)性 — 預計電氣工程師和 PCB 設計人員會提出相當強烈的阻力，因為這樣的放置會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，與由于振動隔離系統(tǒng)的不均勻負載而導致的更大的電氣性能下降相比，這是一個很小的代價，導致對微音敏感的組件/模塊施加的機械振動更加復雜和不對稱。

微音敏感器件設計的正面副作用

大多數(shù)用于微音敏感設備的結(jié)構(gòu)在設計時都考慮到了在沖擊/振動下減少位移。因此，從純粹的結(jié)構(gòu)完整性的角度來看，它們是過度設計的。這讓機械工程師在超載此類結(jié)構(gòu)以加速壽命測試、擔心負載下過度彎曲導致違反客戶信封以及其他類似情況時高枕無憂。

“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)由多個微波模塊組成，旨在具有適合承載振動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)服務職責外，載板還用作客戶安裝表面（通常被認為是無限散熱器）的熱傳導接口。通過添加頂部和底部加固板來確保結(jié)構(gòu)剛度，這些加強板的位置將非常接近客戶規(guī)格定義的外殼極限。多個連桿確保兩個加勁板之間的牢固連接。像這樣的結(jié)構(gòu)允許在接口/機身安裝點之間的相當長的跨度內(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)。

螺栓接口作為機械衰減器

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

機械設計需要頻率規(guī)劃

子系統(tǒng)/系統(tǒng) fn應遠離安裝在其上的每個模塊的固有頻率，除非其中一個模塊用作整個子系統(tǒng)/系統(tǒng)的機箱。在這種情況下，fn對于模塊，應針對連接所有模塊（質(zhì)量載荷）的配置進行計算/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分析

需要仔細分析結(jié)構(gòu)部件混合材料組的設計，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，這種不匹配可能會產(chǎn)生靜態(tài)預加載條件，導致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)變無關緊要。但是，如果存在其 f 偏移量相當小的結(jié)構(gòu)n到 Fn底盤模塊，那么兩個固有頻率最終可能會比預期更接近彼此，產(chǎn)生一定程度的沖擊/振動相互放大——尚未完全達到共振，但仍然是一個不希望的條件。

如果下一個更高的fn模塊由具有不同 CTE 的類似形式的材料構(gòu)成，其n也會增加，有助于維持 delta Fn在安全區(qū)域。這說明了設計實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

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

審核編輯：郭婷