תמצית
מערכות ותת מערכות אלקטרוניות מודרניות של RF / מיקרו-גל מסתמכות לעיתים קרובות על מקורות תדר מדויקים המכילים רכיבים הרגישים לקול, מיקרו-פונקציונליים רגישים, כמו DROs, מתנדים גבישיים, וכו’. תכנון מארזים ומבנים מכניים אחרים עבור מערכות ותת-מערכות כאלה מהווים אתגר משמעותי, במיוחד כאשר הם מכוונים ליישומים ניידים. הדרישה להקטין את הגודל, המשקל, והכוח (SWaP), הופכים את המשימה למאתגרת אף יותר עבור מהנדסי מכונות העובדים בתחום תכנון אריזות אלקטרוניות. מאמר זה מתאר שיקולים למציאת האיזון האופטימלי לדרישות, שלעיתים קרובות הינן סותרות, כגון הקטנת הגודל תוך מתן מרחב מתאים להתאמה למודולים / רכיבים בודדים, שמירה על מידת קשיחות המבנה תוך צמצום משקלו ופרטים נוספים. המאמר דן גם במגבלות בשל הדרישה להפחתת SWaP ותכנון מערכות בידוד רטט. עם זאת, סקירה מפורטת יותר תצריך מאמר נפרד.
הקדמה
מכשירים ו/או רכיבים רגישים לקול משמשים לעתים קרובות במערכות ובתת-מערכות אלקטרוניות מודרניות. כאשר מערכת או תת-מערכת כזו מיועדת ליישומים ניידים, כגון טילים, מטוסים או שימושים על גבי ספינות, יש להגן על המכשיר הרגיש לקול מפני זעזועים ותנודות על מנת להפחית את הירידה בביצועים האלקטרוניים, כגון רעש פאזה, רעש מלאכותי וכדומה. ניתן לעשות זאת בעזרת מערכות בידוד רטט אקטיביות או פסיביות. מערכות בידוד רטט אקטיביות דורשות בדרך כלל שטח גדול בהרבה, הן כבדות יותר מהמערכות הפסיביות, ודורשות חשמל, המוגבל בדרך כלל במערכות ותת-מערכות ניידות. לכן, נוכל להגביל את הדיון שלנו ליישומים בהם נעשה שימוש רק במערכות בידוד רטט פסיביות, מבוססות חומר אלסטי. עם זאת, רוב ההמלצות המוצגות כאן ישפרו את הביצועים של מערכות / תת-מערכות המשתמשות בבידוד רטט אקטיבי.
רקע
ניתן לראות בכל המבנים המכניים של מערכת / תת-מערכת אלקטרונית כמתנד מכני, משום שהחלקים שלהם שאינם נתמכים, בין נקודות החיבור לנקודת ההרכבה הגבוהה הבאה, יסטו תחת עומס. אם עומס חיצוני כזה הוא מחזורי בטבעו, כגון רטט של מסגרת אוויר או ספינה, המבנה יציג תכונות של מתנד עם תדירות טבעית משלו שיהיה מונע על ידי קשיחות ומסת המבנה. ככל שהמבנה קשיח יותר, כך התדירות הטבעית גבוהה יותר. ככל שהמסה גדולה יותר, כך התדירות הטבעית נמוכה יותר. קשר זה בין תכונות המבנה שצוינו מעלה, בהקשר של תגובה מסוג תנועה הרמונית פשוטה, מתואר בצורה הטובה ביותר באמצעות המשוואות הבאות:
כאשר ω הוא התדר הרדיאלי, k הוא קבוע הכוח, ו- m הוא המסה של המערכת / תת המערכת שלנו. זה מבוטא ברדיאנים לשנייה. כדי להמיר את זה למחזורים לשנייה, או הרץ (Hz), עלינו להמיר את הרדיאנים למחזורים מלאים:
עיצוב המבנה
מבנים המיועדים להרכבה על מכשירים רגישים לקול מבודדי רטט, משמשים לרוב כמארז לתת-המערכת או למערכת כולה. כדי לקבל את הביצועים הטובים ביותר מתוך מערכת בידוד רטט פסיבית, עדיף לעצב מארז קשיח ככל הניתן. זה יעביר את תדר התהודה של המבנה הרחק ככל האפשר מן התדר המהדהד של מתנד תהודה דיאלקטרי (DRO). במקרה כזה, כאשר קובעים תדר התהודה של המארז, יש לכלול את המסות ו/או נקודות הטעינה של כל המודולים המורכבים. בשלב זה, נראה שיהיה זה יותר פרקטי לעשות שימוש בתוכנה לניתוח אלמנטים סופיים (FEA) לקביעת התדירות הטבעית.
באופן אידיאלי, התדר הטבעי (fn) של המבנה כולו צריך להיות גבוה יותר מאשר תדר ההפעלה (החשמלי) של המכשיר המושהה הרגיש לקול (למשל, DRO). עם זאת, זה כמעט בלתי אפשרי כאשר מדובר במכשירים מודרניים הפועלים בטווח GHz. ועדיין, רצוי לנסות ולהגיע לתדר הטבעי של המבנה הגבוה ביותר שאפשר על מנת למזער התקות לינאריות של מבנים כאלה במקרים של רטט וזעזוע.
במקרה של תכנון חדש, שימוש במספר רב של נקודות הרכבה לאורך כל צד של המבנה מסייע לשמור על תדר טבעי גבוה מספיק. אולם, כאשר עובדים באמצעות עיצוב “drop-in replacement” יהיה קשה יותר לעשות זאת משום שנקודות ההרכבה במקרה זה ממוקמות פעמים רבות במרחק האחת מהשנייה, בהינתן הנטייה הכללית לעיצוב ותכנון של כל מערכות / תת-מערכות הדור הבא כך שיהיו קטנות יותר ממה שקיים. ככלל, זה דורש מעבר מרחקים ניכרים התואם לתדרים טבעיים נמוכים של מבנה.
שימוש במכלול מלא לשיפור קשיחות המבנה
לעתים קרובות, מהנדס מכני, העובד על עיצוב ותכנון אריזות עבור יישומים ניידים, נדרש לשמור על גובה כיסוי או עומק אחסון הנמוך ביותר בהתבסס על הגובה של הרכיבים החשמליים הגבוהים ביותר שאמורים להיות מוכלים / מכוסים.
למרות שהדרישה הינה הגיונית מההיבט של מזעור המשקל (ולעתים קרובות גם מבחינת עלות החלקים), זה יהווה בעייה כאשר נעשה שימוש במערכת בידוד רטט פסיבית. במקרים אלה, גובה הכיסוי (או עומק האחסון) הוא אחד הגורמים המשפיעים ביותר על קשיחות המבנה. תיאוריית הציר המקביל של שטיינר (Steiner’s theorem of parallel axis) מתארת בצורה טובה את הקשר הזה.
כאשר I הוא רגע האינרציה ביחס לציר נתון; Icm הוא רגע האינרציה ביחס לציר העובר דרך מרכז הכובד; m הוא משתנה המסה; ו- d הוא המרחק בין שני הצירים שציינו (צירים המקבילים זה לזה).
כמו שהסטייה של המבנה היא ביחס הפוך לרגע האינרציה, הגדלת המרחק בין חלקי המבנה היא דרך יעילה מאוד לשיפור התגובה של המבנה הנחשף לסביבה רועשת.
החומרים
בעוד שלמהנדס מכני יש מעט מאד אפשרויות בכל הנוגע לבחירת חומרים עבור מעגלים מודפסים, תשתית מיקרו-גל, רכיבי הרכבה, או פריטים אחרים, שעבורם הכוח המניע העיקרי הוא ביצועים חשמליים ללא קשר לתכונות מבניות (למעשה, הפיכת חלקים כאלה למשקל מת מבחינה מבנית), החומרים המשמשים עבור לסגירה ולמארז יכולים וצריכים להיבחר על בסיס התכונות המבניות שלהם.
לעתים קרובות, הבחירה נעשית לטובת חומרים בעלי הצפיפות הנמוכה ביותר (אלומיניום ומגנזיום הם די פופולאריים מבחינה זו), מבלי לקחת בחשבון תכונות חשובות אחרות, כגון מודול האלסטיות (המכונה המודול של יאנג) והיחס של פואסון. אולם נראה כי הגישה המתאימה ביותר תהיה בתכונה שניתן לכנות קשיחות ספציפית – יחס בין המודול של יאנג לבין צפיפות. כלומר, המודול האלסטי פר צפיפות המסה של החומר. מנקודת מבט זו, גם אלומיניום וגם פלדה עדיפים באותה המידה משום שלשניהם פחות או יותר אותה מידה של קשיחות ספציפית. באחד הניסויים שלנו, האלומיניום להקשחה הוחלף עם פלדה. שתי התצורות פעלו היטב, אולם זה עם הפלדה הפיק Q גבוה יותר; לכן, בעיצוב הסופי הבחירה היתה באלומיניום.
למצבים קיצוניים, ישנם כמה חומרים אקזוטיים זמינים, כגון CE7, CE11, ואלומיניום – סיליקון – קרבון (AlSiC). חלקם דורשים מידה רבה של התאמה, המתורגמת לצורך בזמן רב יותר ועלויות גבוהות יותר. באחרים ניתן להשתמש באמצעות מכונות CNC קונבנציונליות (כגון CE7 ו- CE11), אבל לכך נדרשים כלי קרבון עם ציפוי טין (TiN) על מנת לייצר איכות משטח ברמה סבירה. היתרון העיקרי של חומרים אלה הוא הקשיחות הספציפית. בחומרים אלה רמה גבוהה יותר של המודול של יאנג מאשר אלומיניום, בעוד שהצפיפות כמעט זהה. החסרונות כוללים עלות גבוהה ומספר מוגבל של ספקים מהם ניתן להשיג חומרים אלה – כך שקשה להפחית עלויות כאשר משתמשים בהם.
Table 1. Material Constants
| Material | Young’s Modulus (GPa) | Density (g/cm3) | Specific Stiffness |
| Brass and Bronze | 113 | 8.57 | 13.13 |
| Steel | 200 | 7.90 | 25.32 |
| Magnesium | 45 | 1.74 | 25.89 |
| Aluminum | 69 | 2.70 | 25.56 |
| Titanium Alloys | 113 | 4.50 | 25.00 |
| AlSic | 125 | 2.80 | 44.64 |
| CE7 | 125 | 2.50 | 50.00 |
| Diamond | 1220 | 3.53 | 345.61 |
ההשוואה בטבלה 1 מציגה מדוע אלומיניום הוא החומר הנבחר, בהינתן הזמינות שלו, קלות העבודה ויתרונות נוספים. את היהלום הוספנו לשם התייחסות בלבד. אנו לא מציעים להשתמש ביהלום כחומר מבני למערכות או תת מערכות, למרות שערך הקשיחות הספציפית שלו יכול להוות יתרון.
מיקום, מיקום, מיקום
מיקום אינו חשוב בתכנון ועיצוב כמו שהוא חשוב בתחום הנדל”ן, אבל זהו עדיין משתנה חשוב מאוד כאשר מתכננים תת-מערכות הדורשות בידוד רטט של מודולים רגישים לקול. מודולים מבודדי רטט שימוקמו באופן סימטרי ביחס לנקודות ההרכבה מארז המערכת או תת המערכת יתנהגו באופן צפוי יותר מאלו שימוקמו באופן א-סימטרי. במקרים בהם נעשה שימוש בשתי רמות של בידוד רטט – האחת בסביבה המיידית של הרכיב הרגיש והאחרת בנקודת ההרכבה הבאה – יש צורך לשמור על סימטריה בשתי הרמות.
הצבת מבודד הרטט ממש במרכז הגיאומטרי של נקודת ההרכבה ברמה הבאה מהווה אתגר – למעט מהנדסי חשמל ומתכנני PCB שכן מיקום מעין זה יותר תצורה פחות מאופטימלית למיקום רכיבי חשמל וניתוב PCB. עם זאת, זהו מחיר קטן בהשוואה להשפעה בירידה בביצועים חשמליים עקב הטעינה הבלתי אחידה של מערכת בידוד הרטט, וכתוצאה מכך מהות מורכבת וא-סימטרית יותר של רטט מכני על רכיבים / מודולים רגישים לקול.
Figure 1. FEA model (ANSYS) of a carrier plate under vibration.
Figure 2. Preferred locations for microphonic-sensitive devices.
Figure 3. Example of actual design where a microphonic-sensitive device was placed in the middle of a higher level assembly.
תופעות לוואי חיוביות של תכנון מכשירים רגישים לקול
רוב המבנים למכשירים רגישים לקול מעוצבים תוך מחשבה על הפחתת התקה במקרה שח זעזוע / רטט. לכן, הם כוללים עיצוב יתר או תכנון יתר מנקודת מבט של שלמות מבנית טהורה. זה נותן למהנדסים מכניים יכולת להיות שקטים בכל הנוגע להעמסת מבנים כאלה לבדיקה מואצת בזמן אמת, דאגה בנוגע לגמישות מופרזת תחת עומס שתוביל להפרת מעטפת הלקוח, וחששות בנוגע לנסיבות דומות אחרות.
“ארכיטקטורה היא מוזיקה במצב קיפאון” – יוהאן וולפגנג פון גתה
הארכיטקטורה הגנרית ביותר של מערכת או תת-מערכת מורכבת ממספר מודולי מיקרו-גל המיועדים להחזיק תכונות מבניות המתאימות לשאת עומס מבודד, כפי שמתואר באיור 4. המודולים מותקנים משני עברי לוחית הספק, המשמשת גם כממשק הולכה תרמי למשטחי ההרכבה של הלקוח (הנחשבים בדרך כלל כמפזרים מידה אינסופית של חום), בנוסף לחובות השירות המבני. הקשיחות המבנית מובטחת על ידי הוספת לוחות קשיחים מלמטה ותחתונה, שיוצבו בקרבה לגבולות המעטפה המוגדרים על פי מפרט הלקוח. קשרים מרובים יבטיחו חיבור חזק בין שתי לוחות הקשחה. מבנים כאלה מאפשרים שמירה על קשיחות מבנית משמעותית על פני טווחים ארוכים למדי בין נקודות הרכבה על גבי ממשק. במקרים בהם המקום בין המשטחים החיצוניים של מודולי המיקרו-גל ומעטפת הלקוח מוגבלים מאוד, יהיה יעיל יותר להשתמש בלוחות הקשחה עשויים פלדה מאשר כאלה העשויים אלומיניום.
Figure 4. Generic architecture of a system/subsystem.
ממשקים מוברגים כמחברים מכניים
בנוסף למערכת בידוד רטט פסיבית, ממשקים מוברגים בין מסגרת האוויר והעמסת מבודד הרטט פועלים כמעמעמים של רטט בהתבסס על תנועות מיקרו שהם מאפשרים ואת החיכוך הקשור לתנועות מיקרו אלה. מסיבה זו, ככל שקיים רצף ממשקים בין טבי ההרכבה של מארז תת המערכת ונקודות ההצמדה למודול / התקן רגיש לקול, כך תהיה רבה יותר מידת הפחתת התנודות דרך המבנה ממסגרת האוויר של הלקוח למודול.
תכניות תדר הנדרשות לתכנון מכני
התדר הטבעי (fn) של מערכת / תת-מערכת צריך להיות רחוק מן התדרים הטבעיים של כל מודול המורכב על גביה, אלא אם כן אחד המודולים משמש כמארז עבור המערכת / תת-המערכת כולה. במקרה מעין זה, התדר הטבעי (fn) עבור המודול יחושב / יתוכנן עבור התצורה שבה מורכבים כל המודולים (עומסי המסה). עומסי המסה הללו יקטינו / יפחיתו את התדר הטבעי של מה שמכונה מודול המארז.
מערך מעורב של חומרים דורש ניתוח זהיר
כאשר מתכננים רכיבים מבניים עם מערך הכולל חומרים מעורבים יש לבצע ניתוח זהיר בכל הנוגע לתוצאות אפשריות של אי התאמות CTE (לדוגמה, פלדת אל-חלד 316 (ppm/Cº 16), אלומיניום 6061 (ppm/Cº 23.6).
כאשר חל שינוי בטמפרטורה, חוסר התאמה מעין זה עלול לייצר תנאים שיובילו לעליית ה- fn עבור מבנים המורכבים מחלקים עם CTE שאינם זהים. במידה ואין חלקים אחרים של המבנה שה- fn שלהם גבוה יותר, לשינוי אין כל השפעה. אולם, אם יש מבנים עם קיזוז קטן למדי של התדר הטבעי שלהם לזה של מודול המארז, אזי שני התדרים הטבעיים עשויים בסופו של דבר להיות קרובים מדי זה לזה מהמידה הרצויה ובכך להגביר במידה מסוימת באופן הדדי את הזעזוע / רטט – זה לא יוביל לתהודה אך עדיין זהו מצב שאינו רצוי.
אם המודול שיש לו את התדר הטבעי הבא הגבוה יותר יהיה מורכב מחומרים להם CTE שונים, גם התדר הטבעי שלו יגדל וזה יסייע לשמור על הדלתא של ה-fn בטווח הבטוח. זה ממחיש את ההשפעות החיוביות של עקביות בשיטות תכנון ועיצוב, אשר מפחיתות את הסבירות לתוצאות לא רצויות בעת בדיקות חומרה.
מסקנה
עיצוב מארזים ומבנים מכניים אחרים למערכות ותת-מערכות המכילות מכשירים הרגישים לקול מהווה אתגר משמעותי. עם זאת, ישנם שיקולים ספציפיים מסוימים וגישות תכנון ועיצוב המאפשרים מידת הצלחה גדולה יותר. הבנת הטבע של ירידה בביצועים חשמליים עקב השפעה מכנית יכולה להועיל במידה ניכרת למהנדסים מכניים העובדים בתחום תכנון עיצוב מארזים אלקטרוניים.
