Способ изготовления герметичного электронного модуля
METHOD FOR PRODUCTION OF SEALED ELECTRONIC MODULE

Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к способам изготовления герметичных электронных модулей, и может быть использовано при конструировании герметичных электронных модулей, в частности, используемых в бортовой радиоэлектронной аппаратуре (РЭА).
При конструировании РЭА предъявляются значительные требования по обеспечению защиты ее элементов от негативного воздействия окружающей среды и механических повреждений. Для решения данной задачи применяют герметизацию РЭА, осуществляемую с помощью пропитки или заливки термореактивными компаундами (литая изоляция), обволакивания (покрытия) тонким слоем всей поверхности изделий жидкими или порошкообразными компаундами, а также помещения РЭА в полый корпус. При герметизации пропиткой или заливкой свободное пространство между электронными компонентами и стенкой защитного корпуса заполняют изоляционным материалом. Изделия без корпуса пропитывают или заливают в специальной форме. Обволакивание заключается в образовании одного или нескольких слоев электроизоляционного материала на поверхности  РЭА, предназначенных в большей степени для влагозащиты. Однако пропитка, заливка и обволакивание не заменяют полной герметизации. Полную герметизацию РЭА осуществляют путем помещения электронных компонентов внутрь полого, чаще металлического, корпуса, который затем накрывают крышкой, стык которой с корпусом герметизируют.
Помимо защиты от воздействия окружающей среды и механических повреждений к герметизации РЭА предъявляют дополнительные требования. Конструкция герметизируемых модулей РЭА должна обеспечивать свободный доступ к элементам РЭА для уменьшения времени на поиск неисправности при проведении периодических осмотров и проверок. Отсюда вытекает требование высокой ремонтопригодности электронного модуля бортовой РЭА. Использование ее в различных климатических районах диктует требование сохранения герметичности модуля в широком диапазоне температур: от +85°С до -60°С. Значительные перегрузки повышают требования к прочности защитного корпуса бортовой РЭА.
Именно поэтому особо уязвимым местом подобных модулей является стык крышки и корпуса.
Известны способы изготовления герметичного электронного модуля по патентам RU №2072124, 2155462, 2545019, в которых корпус изготавливают с вертикальным выступом по периметру корпуса в верхней части боковых стенок. При размещении крышки в корпусе между торцевой поверхностью крышки и внутренней поверхностью вертикального выступа образуется рабочий зазор, который герметизируют пайкой, предварительно поместив в нем проволоку для возможности разгерметизации электронного модуля.
Данные способы имеют общий недостаток, обусловленный использованием пайки для герметизации стыка крышки и корпуса, требующей прогрева корпуса до температуры плавления припоя, что может привести к распаиванию электронных компонентов, помещенных в корпус, и ограничениям в выборе припоев и их комбинаций. Кроме того, при неоднократном повторении герметизации происходит затекание припоя под крышку, что приводит к упрочнению соединения крышки с корпусом и значительно затрудняет последующую разгерметизацию. Операцию герметизации-разгерметизации таких модулей можно осуществлять ограниченное количество раз.
Наибольшей ремонтопригодностью обладают герметичные электронные модули, изготовленные с применением герметизации с помощью компаундов. Вязкотекучий компаунд заполняет все неровности и щели, обеспечивая надежную герметизацию.
Известен способ изготовления герметичного электронного модуля [Гелль П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование радиоэлектронной аппаратуры. - Л.: Энергия, 1972, с.138], включающий изготовление крышки и корпуса, размещение электронных компонентов в корпусе, размещение крышки в корпусе и заливку стыка корпуса и торцевой поверхности крышки компаундом.
Однако при резких перепадах температуры вследствие расширения и сжатия металлического корпуса компаунд может трескаться и крошиться, нарушая тем самым герметичность модуля.
Известен также способ изготовления электронного герметичного модуля, описанный в патенте RU на изобретение №2469063. Способ включает формирование корпуса с вертикальным выступом по внешнему периметру верхней поверхности боковых стенок корпуса, размещение электронных компонентов внутри корпуса, размещение крышки в корпусе, фиксацию ее винтами к корпусу, заполнение рабочего зазора между крышкой и корпусом клеевой композицией на основе эпоксидной смолы и сушку модуля до полного отверждения клеевой композиции. Крышку формируют с фаской по периметру наружной верхней стороны и размерами, обеспечивающими прилегание торцевой поверхности крышки до поверхности фаски к внутренней поверхности вертикального выступа с образованием рабочего зазора между поверхностью фаски и внутренней поверхностью вертикального выступа. После отверждения клеевой композиции поверхность отвержденной клеевой композиции покрывают подслоем и просушивают. Рабочий зазор заполняют кремнийорганическим герметиком и сушат до полной его полимеризации.
Известен способ изготовления электронных модулей с разъемной герметизацией крышки и корпуса [Гелль П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование радиоэлектронной аппаратуры. - Л.: Энергия, 1972, с.136-137, ]. Они включают изготовление корпуса и крышки с фланцевым соединением, размещение электронных компонентов в корпусе, который затем накрывают крышкой, снабженной прокладками. Последние способны деформироваться и принимать форму поверхностей стыка для обеспечения герметичного соединения крышки и корпуса. Подобные способы изготовления герметичных электронных модулей обеспечивают возможность быстрой и легкой замены компонентов при ремонте, регулировке или настройке. После проведения необходимых манипуляций корпус повторно герметизируют с использованием той же прокладки без привлечения дополнительных материалов. Чаще всего для этих целей применяют прокладки из пластичного металла.
Использование прокладок из пластичного металла также имеет свои недостатки. Уплотнение за счет пластических деформаций металлических прокладок не всегда приводит к надежной герметизации. Например, медные кольца с зубцами обладают большим температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), из-за чего при нагревании дополнительно обжимаются в уплотнении. При многократном повторении этого процесса уплотнение нарушается из-за усадки в результате наклепа металла. Срок службы такого уплотнения снижается при воздействии вибрации, что делает использование электронных модулей, изготовленных данным способом, малопригодным для бортовой РЭА.
Известен также способ, описанный в патенте CN на полезную модель №202585321. В соответствии с описанным способом защитный металлический кожух выполняют с крышкой. На внутренней поверхности крышки размещают фланец. Уплотнительный слой, изготавливаемый из резиновой смеси, располагают вокруг фланца крышки защитного кожуха.
Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является способ, описанный в патенте RU на полезную модель №179620. В корпусе герметичного прибора с вакуумным объемом между его крышкой и вставленным в отверстие в корпусе многоконтактным соединителем, содержащим печатную плату с токоведущими проводниками, со стороны, обращенной в вакуумную полость прибора, вокруг отверстия под многоконтактный соедитель выполняют замкнутую канавку под уплотнительный элемент. Вокруг канавки конгруэнтно ее периметру выполняют глухие отверстия под винты, которые предназначены для прижатия печатной платы через нажимную планку к уплотнительному элементу, обеспечивая тем самым герметичность вакуумной полости прибора. Уплотнительный элемент может быть выполнен из эластомера. Канавка, в которую укладывают уплотнительный элемент, имеет прямоугольную или округлую форму.
Недостатком наиболее близкого аналога является низкая технологичность способа, заключающаяся в необходимости изготовления уплотнительных элементов для каждой конкретной конструкции прибора заданных формы и размеров. Кроме того использование уплотнительных элементов, выполненных из эластомеров, сопровождается рядом недостатков. ТКЛР эластомеров выше, чем у металла, что при нагревании замкнутого узла может привести к разрушению тонкостенной конструкции или к механическим перенапряжениям. В результате склонности эластомеров свариваться с металлической поверхностью при сильном и продолжительном давлении герметичные узлы по истечении нескольких месяцев размыкаются с большим трудом, так как силы адгезии превышают когезионные силы.
Задачей заявляемого изобретения является снижение трудоемкости и длительности технологических процессов при сохранении ремонтопригодности изделий.
Сущность заявляемого способа заключается в том, что он включает: установку на металлическом  основании с глухими резьбовыми отверстиями печатной платы с размещенными на ней навесными элементами, размещение металлического основания с печатной платой под внутренней крышкой, повторяющей по периметру форму печатной платы с образованием отсеков для функциональных участков электрической схемы с обеспечением их взаимной радиогерметичности и устанавливаемой со стороны навесных элементов, установку поверх внутренней крышки внешней крышки, заполнение пространства между металлическим основанием и внешней крышкой эластичным уплотнителем, при этом пайку корпуса коаксиального разъема к металлическому основанию и соединение центрального контакта с полосковым проводником печатной платы в одном из отсеков осуществляют паяной перемычкой.
Заявляется также способ, в котором наряду с вышеописанными признаками, в качестве эластичного уплотнителя используют кремнийорганический каучук марки ИПР-1265.
Техническим результатом заявляемого способа является решение поставленной задачи.
В соответствии с заявляемым способом внутренняя крышка повторяет по периметру форму печатной платы, образуя отсеки для функциональных участков электрической схемы, обеспечивая тем самым их взаимную радиогерметичность, а также общую радиогерметичность всего электронного модуля. Также внутренняя крышка обеспечивает равномерный по всей поверхности электрический и тепловой контакт печатной платы с металлическим основанием, таким образом, уменьшая электрическое и тепловое сопротивление, что важно при создании ВЧ и СВЧ схем, содержащих большое количество активных навесных элементов с высоким токопотреблением. Для этого внутреннюю крышку устанавливают на винтах, распределенных, например, с шагом 1–2 см по всей поверхности крышки. При этом металлическое основание изготавливают с глухими резьбовыми отверстиями, чтобы не нарушать герметичность изделия.
Внешняя крышка обеспечивает герметичность изделия за счет использования эластичного уплотнителя – замкнутого кольца из кремнийорганического каучука марки ИПР-1265, помещенного между металлическим основанием и внешней крышкой, которые при соединении кроме внутреннего пространства образуют также кольцевую полость. Эластичный уплотнитель находится в этой полости в деформированном состоянии и, благодаря своей эластичности, принимает форму полости и хорошо прилегает к поверхностям металлического основания и внешней крышки, обеспечивая тем самым их герметичное соединение. Внешняя крышка крепится к металлическому основанию на винтах в резьбовые отверстия, расположенные по периметру электронного модуля за пределами герметичного шва, и, охватывая целиком печатную плату и внутреннюю крышку, обеспечивает дополнительную радиогерметичность электронного модуля.
Применяемый уплотнитель благодаря тому, что он изготовлен из современного материала – кремнийорганического каучука (силикона), обладает достаточной эластичностью, чтобы, при изначально круглой форме, без потери свойств принять форму многоугольника со скругленными углами. В случае, когда эластичный уплотнитель сначала надевается на выступающую часть одной из деталей электронного модуля, подойдет любая форма в виде выпуклого многоугольника с периметром, соответствующим длине окружности эластичного уплотнителя.
В соответствии с заявляемым способом и в отличие от известных аналогов имеется возможность использования в качестве уплотнительного элемента в том числе и стандартно выпускаемых уплотнительных колец любой формы и конфигурации.  Например, использование в осуществлении способа эластичного уплотнителя марки ИПР-1265 позволяет осуществлять многократное вскрытие и герметизацию приборов, например, в процессе проведения ремонтных работ для устранения неисправностей.
Кроме того, заявляемый способ предполагает размещение коаксиального разъема в металлическом основании в герметичном исполнении. Данная установка предусматривает пайку корпуса коаксиального разъема к металлическому основанию электронного модуля и соединение центрального контакта с полосковым проводником печатной платы в одном из отсеков прибора паяной перемычкой.
Выполнение коаксиального разъема в металлическом основании позволяет уменьшить габаритные размеры электронного модуля по высоте.
Заявляемый способ поясняется с помощью Фиг., на которой изображен электронный модуль, в котором реализован заявляемый способ герметизации, и позициями 1-6 обозначены:
1 – металлическое основание,
2 – печатная плата,
3 – внутренняя крышка,
4 – эластичный уплотнитель,
5 – внешняя крышка,
6 – коаксиальный разъем.
В соответствии с заявляемым способом был разработан и изготовлен экспериментальный образец герметичного электронного модуля. Металлическое основание 1 и внешняя крышка 5 при использовании эластичного уплотнителя 4 в виде уплотнительного кольца соответствующих размеров в сборе представляли собой корпус, в котором внутреннее пространство для размещения печатной платы 2 герметично изолированно от внешней среды. При габаритных размерах экспериментального образца в сборе 85×85×13 мм внутреннее пространство имело размеры 70×70×6 мм, что достаточно для функционально законченного активного СВЧ узла. Металлическое основание 1, внутреннюю 3 и внешнюю 5 крышки изготавливали из алюминиевого сплава Д16 с гальваническим покрытием олово-висмут, которое широко применяют для обеспечения защитных свойств и возможности использования поверх него пайки.
После размещения на металлическом основании 1 коаксиальных разъемов 6 специально оформленных местах, печатной платы 2, помещения его под внутренней крышкой 3, пространство между металлическим основанием 1 и внешней крышкой 5 заполняли эластичным уплотнителем 4 путем размещения его на предусмотренной для этого выступающей части металлического основания 1. В качестве эластичного уплотнителя 4 использовали уплотнительное кольцо 75-80-30 (ГОСТ 9833-73) из кремнийорганического каучука марки ИПР-1265. Фиксацию внешней 3 и внутренней 5 крышки к металлическому основанию 1 осуществляли 20 винтами М2×10.
Затем экспериментальный образец был подвергнут серии испытаний, доказывающих его герметичность. Для этого в металлическом основании изделия было предусмотрено технологическое отверстие для проверки на течеискателе и наполнения внутреннего пространства инертной газовой смесью, аналогично серийным приборам, выпускаемым на предприятии.
-9
3
-6
3
Были проведены испытания экспериментального образца на течеискателе ТИ1-50. Во время испытания образец был помещен в газовую среду, содержащую гелий, что является штатным способом выявления утечки при работе с данным течеискателем. Во время измерений количество обнаруженного гелия не превысило нижнего порога чувствительности течеискателя, что считается отсутствием утечки у объекта испытаний. Также по показаниям ТИ1-50 скорость откачки газа из образца не превышала 10 м·Па/с, что можно считать положительным результатом, так как, согласно технологии, действующей для приборов с клеевой герметизацией, критерием годности прибора считается значение не более 10 м·Па/с.
При проверке герметичности «пузырьковым методом», при котором образец погружался в емкость с водой, а внутрь подавался сжатый воздух, утечек также не было обнаружено. Давление воздуха внутри образца составляло 3 атм.
Для проверки сохраняемости параметров герметичного соединения экспериментальный образец был подвергнут испытаниям на воздействие изменения температуры среды. Образец был подвергнут 200 циклам изменения температуры длительностью 2 часа каждый: 1 ч выдержки при температуре -60°C и 1 ч при +85°C. После этого экспериментальный образец снова прошел испытания на течеискателе, в результате которых были получены те же значения, что и до испытаний на воздействие изменения температуры среды. Внешний вид и геометрические размеры эластичного уплотнителя, извлеченного из экспериментального образца, также не изменились.