lec08 Модульный принцип конструирования (Лекции проф Давыдова УГГИ), страница 2

В основе стандартизации модулей и их несущих конструкций лежат ти­повые функции, свойственные многим электронным системам. Для использования при проектировании модульного принципа конструирования разработа­ны ведомственные нормали и государственные стандарты, устанавливающие термины, определения, системы типовых конструкций модульных систем.

Конструкционная система должна представлять много­уровневое семейство модулей с оптимальным составом набора, обеспечи­вающим функциональную полноту при построении аппаратуры определен­ного назначения. Все модули системы должны быть совместимы между со­бой по конструктивным, электрическим и эксплуатационным параметрам.

Базовый принцип. Базовым называется принцип конструирования, при котором частные конструктивные решения реализуются на основе стандартных конструкций модулей или конструкционных систем модулей (базовых конструкций), раз­решенных к применению в аппаратуре определенного класса, назначения и объектов установки.

При разработке базовых конструкций должны учитываться особенно­сти современных и будущих разработок. При этом част­ные конструктивные решения обобщаются, а основные свойства и парамет­ры закладываются в конструкции, которые стандартизуются, поставляются и рекомендуются для широкого применения.

Базовые конструкции не должны быть полностью конструктивно за­вершенными, необходимо предусматривать возможность их изменения для создания модификаций аппаратур­ных решений. Иерархическое построение базовых конструкций с гибкой структурой и числом уровней не более четырех является вполне достаточ­ным для разработки РЭА любой сложности.

Каждый из элементов конструктивной иерархии характеризуется длиной L, высотой H и глубиной (ши­риной) B. В зависимости от назначения того или иного типа систем соотношение размеров определенных ее конструктивных частей может быть различным. Однако эти соотношения должны подчиняться определенным правилам и закономерностям, ко­торые устанавливают соответствующие технические регламенты на определенный класс аппаратуры.

В конструкционных системах любого типа электронной аппаратуры основные размеры L, Н, В базо­вых конструкций устанавливаются соответ­ствующими единому модулю. В каждом направлении развития размеров по координатам x(L), у(Н), z(B) указанный модуль равен 2,5 мм. Он уста­навливается в соответствии с шагом координатной сетки пе­чатных плат и выводов элементов на печатной плате и пе­редней панели по x(L), шагом выводов элементов и соедини­телей на функциональной печатной плате и на кроссплате по у(Н) и z(B).

Единый размерный модуль обеспечивает компоновку раз­личных изделий конструкционной системы как в про­странстве, например в трех различных плоскостях комплект­ного корпуса или блока, так и на плоскости - на поверхности одноплатного изделия. Для каждого уровня базовых конструкций устанавливаются ряды размеров по L, Н, В, каждый из которых взаимосвязан с рядами размеров других уровней с целью обеспечения конструктивной совместимости. Каж­дый последующий член ряда образуется приращением к пре­дыдущему принятого значения модуля.

Для конкретного проектирования базовых конструкций из отдельных членов рядов составляются опти­мальные типоразмеры, среди которых выделяются предпочти­тельные. Главным исходным требованием при выборе типо­размера является плотность компоновки, определяемая отно­шением числа активных элементов и корпусов ИС к площади (объему) изделия. Типоразмеры являются рабочим средством достижения сквозной совместимости изделий системы. На­пример, типоразмеры плат образовываются с учетом стандарт­ной установки их в соответствующий корпус, а типоразмеры корпусов, в свою очередь, устанавливаются с учетом осуще­ствления взаимоприменений.

Модули нулевого уровня. На низшем нулевом уровне конструктивной иерархии РЭА находятся МС. По функциональному назначению МС делят на логические (цифровые), линейно-импульсные и линейные (ана­логовые). Элементы электрической схемы полупроводниковых МС формируют в объеме или на поверхности полупроводникового материала (подложки). Формирование активных и пассивных элементов схемы про­изводят введением концентраций при­месей в различные части монокристаллической пластины. В зависимости от применяемых активных элементов полу­проводниковые МС подразделяют на схемы с биполярными и униполярными структурами. В гибридных МС пассивную часть схемы выполняют в виде пленок, наносимых на поверхность ди­электрического материала (подложки), а активные элементы, имеющие самостоятельное конструктивное оформление, крепят к поверхности подложки.

Степень интеграции К_и микросхемы определяется числом N содержащихся в ней элементарных схем: К_и = [lgN] + 1, где [lgN - целая часть lgN. Микросхема, содержащая до 10 элементарных схем, имеет первую степень интеграции (малая МС), до 100 схем - вторую (средняя МС), до 1000 схем - третью (БИС), свыше 1000 схем - сверхбольшую МС (СБИС).

Ряд функциональных микросхем, объединенных по виду технологии изготовления, напряжениям источников питания, входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов, конструктивному оформлению и способам монтажа, образуют серию МС. Обычно в серию МС входит такой набор функциональных микросхем, из которых можно построить законченное устройство. Существу­ют также серии специальных микросхем, предназначенных для работы в специфических условиях, или специального назначения.

Корпуса микросхем. По конструктивному оформлению МС делят на корпусные с выводами, корпусные без выводов и бескор­пусные. Корпуса МС служат для защиты помещенных в них полупроводниковых кристаллов, подложек и электрических соединений от внешних воздей­ствий. Корпуса микросхем бывают металлостеклянными, металлокерамическими, металлопластмассовыми, стеклянными, керамическими и пластмас­совыми.

В первых трех разновидностях корпусов крышка выполняется ме­таллической, а основание - стеклянным, керамическим или пластмассо­вым. Металлическая крышка обеспечивает эффективную влагозащиту при хорошем отводе теплоты от кристалла, снижает уровень помех. В пластмассовых и керамических корпусах крышку и основание вы­полняют из однородного материала. На корпус МС наносится маркировка в соответствии с ее условным обозначением и выполняется нумерация вы­водов относительно ключа или метки. По форме тела корпуса и расположению выводов корпуса делят на типы и подтипы.

Для правильной установки МС на плату корпуса имеют ключ, расположенный в зоне первого вывода. Ключ делается визуальным в виде металлизированной метки, выемки или паза в корпусе, выступа на выводе и пр. В поперечном сечении выводы корпусов имеют круглую, квадратную или прямоугольную форму. Шаг между выво­дами составляет 0,625; 1,0; 1,25; 1,7 и 2,5 мм.

Каждый тип корпуса имеет достоинства и недостатки. Корпус с планарными выводами для установки и монтажа требует на печатной плате почти вдвое больше площади, чем тех же размеров корпус, но с ортогональ­ным расположением выводов. Однако жесткие штыревые выводы с ортогональной ориента­цией относительно основания позволяют устанавливать микро­схемы на плату без дополнительной поддержки даже при жестких вибрационных и ударных нагрузках. Пластмассовые корпуса дешевы, обеспечивают хорошую защиту от механических воздействий, но хуже других типов корпусов за­щищают от климатических воздействий, перегрева.

Основной недостаток корпусных микросхем и по­строенных на них устройств - большой объем вспомогательных конструктивных элементов: корпусов, выводов, элементов герметизации, и т. п., не несущих функциональной нагрузки. Использование корпусных микросхем приводит к непроизводительно большим затратам полезного объема и массы устройства, уменьшает на один - два порядка плотность компоновки элементов по сравнению с плотностью их размещения в кристалле или на подложке.

Микросборки. Наивысшая плотность компоновки РЭА имеет место при использова­нии бескорпусных компонентов. Однако установка и монтаж последних на печатных платах не обеспечивает высокой плотности ком­поновки из-за низкой разрешающей способности монтажа. На сегодняшний день возможности печатного монтажа практически исчерпаны. Введение в конструкцию промежуточного элемента - подложки - устранит этот не­достаток.

Бескорпусные активные компоненты фиксируются клеем на подлож­ке, на которой методом тонко- или толстопленочной технологии выполня­ются проводники, контактные площадки цепей входа и выхода, пленочные пассивные компоненты. Подобные конструкции называют микросборками. Микросборки представляют собой бескорпусные гибридные МС индивидуального применения. Интегральные микросхемы микросборок не обязательно должны быть согласованы по входу и выходу, это обеспечивается пассивными элементами схемы микросборки. В отличие от универсальных БИС, используемых в разнообразной аппаратуре, микросборки разрабатывают под конкретную аппаратуру для получения вы­соких показателей ее микроминиатюризации, уменьшения потерь полезного объема аппаратуры. Хотя разрешающая способность толстопленочной тех­нологии ниже тонкопленочной, в ней сравнительно легко удается реализо­вать многослойные конструкции и повысить плотность компоновки.

Материалом подложек мик­росборок могут быть некоторые виды стекол и керамики. Легкость получе­ния гладких поверхностей и дешивизна являются основными преимущест­вами стекол. Однако низкая теплопроводность, препятствующая рассеива­нию больших мощностей, хрупкость, трудность получения сложных форм подложек ограничивает их применение. Керамику отличает большая меха­ническая прочность, лучшая теплопроводность, хорошая химическая стой­кость, но и повышенная стоимость и относительно грубая поверхность.

В качестве материалов подложек используется ситалл (на основе стекла), поликор (керамика на основе окиси алюминия), гибкие полиамидные пленки. Размеры ситалловых подложек обычно не превышают 48x60 мм, поликоровых — 24x30 мм. Для увеличения механической жесткости и тепловой стойкости гибкие пленки чаще всего фиксируют на пластине из алюминиевого сплава. Макси­мальные размеры таких подложек составляют 100x100 мм, плотность разводки 5 линий/мм (минимальные ширина и зазоры между проводниками по 0,1 мм), шаг внутренних контактных площадок 0,3.. .0,5 мм, внешних — 0,625 мм.

Модули первого уровня. При конструировании модулей первого уровня выполняются следую­щие работы:

• Изучение функциональных схем с целью выявления одинаковых по назначению подсхем и унификации их структуры в пределах изделия, что приводит к уменьшению многообразия подсхем и номенклатуры различных типов ТЭЗ.

• Выбор серии микросхем, корпусов микросхем, дискретных радиоэлементов.

• Выбор единого максимально допустимого числа выводов соединителя для всех типов модулей. За основу принимают число внешних связей наиболее повторяющегося узла с учетом цепей пи­тания и нулевого потенциала и до 10 % запаса контактов на возмож­ную модификацию.

• Определение длины и ширины печатной платы. Ширина платы, как правило, кратна или равна длине соединителя с учетом полей установки и закрепления платы в модуле второго уровня. Требования по быстродейст­вию и количество устанавливаемых на плату компонентов влияют на ее длину.

• Собственно конструирование печатных платы.

• Выбор способов защиты модуля от перегрева и внешних воздействий.

Широкое распространение получила плоская компоновка модуля, когда компоненты схемы устанавливают в плоскости платы с одной или двух сто­рон. Для плоской компоновки характерна ма­лая высота установки компонентов по сравнению с длиной и шириной платы. Простота выполнения монтажных работ, легкость доступа к компонентам и монтажу, улучшенный тепловой режим являются основными преимущества­ми плоской компоновки. Если для внешней коммутации модуля вводится со­единитель, то подобную конструкцию называют типовой элемент замены (ТЭЗ) (рис. 8.2.1). На печатную плату устанавливают микросхемы 4 и для исключения влияния на работу микросхем помех по электропитанию - развязывающие конденсаторы 5.

Рис. 8.2.1.

1-лицевая панель, 2-невыпадающий винт, 3-печатная плата, 4-микросхема, 5-развязывающий конденсатор, 6-электрический соединитель (разъем).

Лицевая панель выполняет одновременно несколько функций. На ней располагают элементы индикации и управления, контрольные гнезда, ино­гда электрические соединители, которые взаимодействуют с платой провод­ным монтажом. На панели в резьбовые отверстия помещают невыпадающие винты 2, которыми ТЭЗ жестко фиксируется на несущей конструкции модуля второго уровня, наносится адрес, позволяющий отличить ТЭЗ среди подоб­ных в наборе РЭА, а также предотвратить непра­вильную установку ТЭЗ.

Панель и электрический соедини­тель крепят к печатной плате винтовым или заклепочным соединением. В условиях жестких механических воздействий плату ТЭЗ устанавливают на рамку, что увеличивает жесткость конструкции. При большом числе внешних цепей на ТЭЗ устанавливают несколько соединителей, располагающихся на одной или нескольких сторонах платы.

В блоках транспортируемой аппаратуры печатные платы модулей, как правило, закреплены жестко на несущей конструкции. Модули первого уровня взаимодействуют между собой приборными соединителями печатного монтажа, непосредственной подпайкой проводов к монтаж­ным отверстиям плат, с использованием переходных штырьков и колодок.

Соединители обеспечивают быструю замену мо­дулей и бывают прямого и косвенного сочленения. Вилка соединителя пря­мого сочленения является частью печатной платы с печатными ламелями, розетка соединителя - открытого и закрытого исполнения. В розетках открытого исполне­ния прорезь для установки печатной платы открыта с концов, что позволяет устанавливать в нее различные по ширине платы. Розетки закрытого типа ограничены с концов торцевыми поверхно­стями и служат для установки плат фиксированной ширины. Взаимная ори­ентация модуля и розетки осуществляется перегородкой в розетке и пазом под эту перегородку в концевой части печатной платы. Фиксация модуля в розетке открытого исполнения производится за счет пружинящих контактов розетки, в розетке закрытого исполнения могут быть защелки на торцевых поверхностях соединителя. Расстоя­ние между соседними печатными ламелями выбирается из ряда: 1,25; 2,5;3,75 и 5 мм. Малое омическое сопротивление и высокая износо­стойкость контактной пары ламель - контакт розетки достигается покрытием медных поверхностей ламелей серебром, палладием, золотом, родием. Толщина покрытия варьи­руется в пределах 3-50 мкм.