微音敏感电子元件的机械设计

现代射频/微波电子系统和子系统通常依赖于包含微音敏感组件的精密频率源，如 DRO、晶体振荡器等。为此类系统和子系统设计外壳和其他机械结构提出了巨大的挑战，尤其是在针对移动应用时。减小尺寸、重量和功耗（SWaP）的要求使得在电子封装设计领域工作的机械工程师面临更大的挑战。本文介绍了为经常相互冲突的要求找到最佳平衡的注意事项，例如最小化尺寸同时为Vibe隔离模块/组件提供足够的摇摆空间，在保持结构高刚性同时最小化重量以及其他细节。我们将介绍SWaP降低要求和振动隔离系统设计的限制。但是，更详细的审查将需要单独的条款。

介绍

对微音敏感的设备和/或组件通常用于现代电子系统和子系统。当此类系统或子系统用于移动应用（例如导弹、飞机或舰载用途）时，需要保护微音敏感器件免受冲击和振动，以减少电气性能的下降，例如相位噪声、杂散等。这可以通过被动或主动氛围隔离系统来实现。主动振动隔离系统通常需要更大的空间，比被动式隔离系统更重，并且需要功率，这在移动系统和子系统中通常非常宝贵。因此，我们将讨论仅限于仅使用基于弹性体的被动式振动隔离系统的应用。但是，此处提出的大多数建议将提高采用主动氛围隔离的系统/子系统的性能。

背景

电子系统/子系统的所有机械结构都可以被视为机械振荡器，因为它的无支撑部分，在下一个更高级别的组件的连接点之间，将在负载下偏转。如果这种外部载荷本质上是周期性的，例如机身或船体的振动，则结构将表现出振荡器的特性，其固有频率由结构的刚度及其质量驱动。结构越刚，固有频率越高。质量越高，固有频率越低。与简单的谐波运动类型的响应相关的结构的上述属性之间的这种关系最好使用以下等式来描述：

其中ω是径向频率，k是弹簧常数，m是我们系统/子系统的质量。它以每秒弧度表示。要将其转换为每秒周期数或赫兹 （Hz），我们需要将弧度转换为完整周期：

结构设计

用于安装环境隔离、微音敏感设备的结构通常用作子系统或整个系统的底盘。为了从被动氛围隔离系统中获得最佳性能，设计尽可能坚固的底盘是有益的。这将使结构的谐振频率尽可能远离振动隔离介质谐振器振荡器（DRO）的谐振频率。在这种情况下，在确定底盘谐振频率时，必须包括安装在其上的所有模块的质量和/或点负载。在这个阶段，使用有限元分析（FEA）软件来确定固有频率似乎更实用。

图1.载板在振动下的有限元分析模型（ANSYS）。

理想情况下，固有频率（fn）的整个结构应高于悬挂的微音敏感器件（例如DRO）的工作（电）频率。然而，对于在GHz范围内运行的现代设备，这几乎是不可能的。尽管如此，还是建议推动尽可能高的 fn的结构，以尽量减少这种结构在冲击和振动下的线性位移。

在新设计的情况下，在结构的每一侧使用多个安装点有助于保持 fn相当高。但是，实现更高的f可能更困难n当人们正在研究嵌入式替换设计时，安装点通常彼此相距很远，因为每个下一代系统/子系统都比前一个系统/子系统更小更轻。这需要跨越相当长的距离，这通常与结构的较低固有频率相对应。

利用围护结构的全貌来提高结构的刚度

通常，从事移动应用包装设计的机械工程师被迫根据要封装/覆盖的体积中最高电气元件的高度保持尽可能低的盖板高度或外壳深度。虽然从最小化重量（通常还有零件成本）的角度来看这是合理的，但对于采用被动氛围隔离系统的设计来说，这将是一个糟糕的权衡。在这些情况下，盖板高度（或外壳深度）是影响结构刚度的最强大因素之一。斯坦纳的平行轴定理很好地描述了这种关系。

其中 I 是相对于给定轴的惯性矩;我厘米是相对于通过重心绘制的轴的惯性矩;m 是质量;d 是上述两个轴之间的距离（轴彼此平行）。

由于结构的挠度与惯性矩成反比，因此增加结构构件之间的距离是改善结构在冲击/振动环境中的响应的非常有效的方法。

材料组

虽然机械工程师在为印刷电路板、微波基板、表面贴装元件或相关项目选择材料方面几乎没有影响力，其中主要驱动力是电气性能，而不管结构特性如何（本质上，从结构角度来看，将设计的这些部分变成自重），但用于外壳和底盘的材料可以而且需要根据其结构特性进行选择。

很多时候，选择密度最低的材料（从这个角度来看，铝和镁相当受欢迎），而不考虑其他重要特性，例如弹性模量（又名杨氏模量）和泊松比。然而，更合适的方法是使用一种可以称为特定刚度的质量——杨氏模量和密度之间的比率。即，材料单位质量密度的弹性模量。从这个角度来看，铝和钢的吸引力大致相同，因为两者的比刚度大致相同。在我们的一项实验中，铝制加劲肋被钢加劲肋取代以进行比较。两种配置都表现良好，但带有钢加劲肋的配置产生了更高的 Q;因此，最终设计选择了铝。

对于极端情况，有一些特殊的材料可用，如CE7，CE11和铝碳化硅（AlSiC）。其中一些需要大量的定制工具，这意味着更长的交货时间和成本。其他的可以使用传统的CNC铣床（如CE7和CE11）进行加工，但需要带有TiN涂层的硬质合金刀具才能产生可接受的表面质量。这种材料的主要优点是比刚度。这些材料的杨氏模量比铝高得多，同时具有大致相同的密度。缺点包括成本高和此类材料的供应商数量有限，这使得采用此类材料的设计难以降低成本。

表1中的比较显示了为什么铝是首选材料，因为它的经济实惠，易于加工，发达的电镀工艺和其他优点。钻石仅作为参考点添加。我们不建议将其用作系统或子系统的结构材料，尽管其特定的刚度值看起来非常有吸引力。

 

材料	杨氏模量 （GPa）	密度（克/厘米3)	比刚度
黄铜和青铜	113	8.57	13.13
钢	200	7.90	25.32
镁	45	1.74	25.89
铝	69	2.70	25.56
钛合金	113	4.50	25.00
阿尔西奇	125	2.80	44.64
费尔	125	2.50	50.00
钻石	1220	3.53	345.61

 

位置，位置，位置

位置在设计中并不像在房地产中那么重要，但位置对于设计需要对微音敏感模块进行振动隔离的系统和子系统仍然非常重要。相对于系统或子系统机箱的安装点对称放置的 Vibe 隔离模块的行为将比不对称定位的模块更可预测。在采用两个级别的振动隔离的情况下（一个紧邻敏感组件，另一个紧邻下一级组件），需要在两个级别上保持对称性。

图2.微音敏感设备的首选位置。

将 Vibe 隔离有效载荷直接放置在下一个更高级别的组件的几何中心具有挑战性 — 预计电气工程师和 PCB 设计人员会提出相当强烈的阻力，因为这样的放置会使可用于电气元件放置和 PCB 布线的空间配置不太理想。然而，与由于振动隔离系统的不均匀负载而导致的更大的电气性能下降相比，这是一个很小的代价，导致对微音敏感的组件/模块施加的机械振动更加复杂和不对称。

微音敏感器件设计的正面副作用

大多数用于微音敏感设备的结构在设计时都考虑到了在冲击/振动下减少位移。因此，从纯粹的结构完整性的角度来看，它们是过度设计的。这让机械工程师在超载此类结构以加速寿命测试、担心负载下过度弯曲导致违反客户信封以及其他类似情况时高枕无忧。

“建筑是冰冻的音乐”——约翰·沃尔夫冈·冯·歌德

子系统或系统最通用的架构由多个微波模块组成，旨在具有适合承载振动隔离有效载荷的足够结构质量，如图4所示。这些模块安装在载板的两侧，除了结构服务职责外，载板还用作客户安装表面（通常被认为是无限散热器）的热传导接口。通过添加顶部和底部加固板来确保结构刚度，这些加强板的位置将非常接近客户规格定义的外壳极限。多个连杆确保两个加劲板之间的牢固连接。像这样的结构允许在接口/机身安装点之间的相当长的跨度内保持显着的结构刚度。在微波模块外表面与客户外壳之间的空间非常有限的情况下，钢制加固板将比铝制加固板更有效。

图4.系统/子系统的通用体系结构。

螺栓接口作为机械衰减器

除了被动振动隔离系统外，机身和振动隔离有效载荷之间的螺栓接口还根据它们允许的微运动以及与这些微运动相关的摩擦力充当减振器。因此，子系统机箱的安装卡舌与微音敏感设备/模块的连接点之间存在的顺序螺栓接口越多，从客户机身到模块的振动通过结构传播的衰减就越大。

机械设计需要频率规划

子系统/系统 fn应远离安装在其上的每个模块的固有频率，除非其中一个模块用作整个子系统/系统的机箱。在这种情况下，fn对于模块，应针对连接所有模块（质量载荷）的配置进行计算/建模。上述质量载荷将降低/减少fn所谓的底盘模块。

混合材料组需要仔细分析

需要仔细分析结构部件混合材料组的设计，以确定 CTE 不匹配的可能后果（例如，不锈钢 316 （16 ppm/°C）、铝 6061 （23.6 ppm/°C）。随着温度的变化，这种不匹配可能会产生静态预加载条件，导致f增加n适用于由具有不同 CTE 的部件组成的结构。如果结构没有其他部分/部分，其 fn更高，但不接近fn在所讨论的模块/部分中，这种转变无关紧要。但是，如果存在其 f 偏移量相当小的结构n到 Fn底盘模块，那么两个固有频率最终可能会比预期更接近彼此，产生一定程度的冲击/振动相互放大——尚未完全达到共振，但仍然是一个不希望的条件。

如果下一个更高的fn模块由具有不同 CTE 的类似形式的材料构成，其n也会增加，有助于维持 delta Fn在安全区域。这说明了设计实践一致性的积极影响，这降低了硬件测试中结果不佳的可能性。

结论

为包含微音敏感设备的系统和子系统设计外壳和其他机械结构提出了重大挑战。但是，有一些特定的注意事项和设计方法可以更大程度地实现一次通过成功。了解由于机械冲击而导致的电气性能下降的性质是在电子封装设计领域工作的机械工程师可以具备的最有用的品质之一。

审核编辑：郭婷