Book3 (Конструирование РЭС (архив книг)), страница 3

Отличительным признаком конструктива цифровых РЭС на печат-
ных платах является наличие корпусированных стандартных ИС, разме-
щенных на печатной плате.

В процессе конструирования цифровой ФЯ решают следующие ос-
новные задачи:

выбор варианта конструкции ячейки;

расчет типоразмера печатной платы;

выбор типа электрического соединителя, элементов крепления,
фиксации и контроля;

выбор метода изготовления печатной платы;

обеспечение нормального теплового режима;

защиту конструкции ячейки от влияния факторов внешней среды.

Выбор варианта конструкции ячейки зависит от требований ТЗ на
блок, в котором она используется, и главным образом от назначения и
условий эксплуатации устройства. В зависимости от заданной формы и
габаритов блока на первых стадиях разработки могут быть ориентиро-
вочно установлены размеры печатной платы ФЯ и их число в блоке. По
заданной электрической схеме выбирают тип корпуса ИС и рассчитыва-
ют нагрузку на печатную плату, а далее проводят расчет вибропрочно-
сти ФЯ (разд. 4.3). Исходя из полученных результатов расчета и вы-
бранного типа корпуса ИС осуществляют выбор варианта конструкции
ФЯ (с рамкой, без рамки, одно- или двухстороннее расположение эле-
ментов).

Расчет типоразмера печатной платы проводят по количеству ИС в
ячейке, выбранному типу корпуса, числу задействованных от него вы-
водов, толщине печатной платы и подбирают по ГОСТ 10317-79 прием-
лемые размеры печатной платы (см. разд. 9.1).

Выбор типа электрического соединителя ФЯ зависит от принятой ком-
поновки их в блок (разъемной или книжной). При разъемной компоновке
тип соединителя выбирают согласно правилам, изложенным в разд. 7. В
случае книжной конструкции применяют гибкие шлейфы либо гибкие ка-
бели. Выбор элементов фиксации и контроля проводят по рекомендациям
ОСТ 4Г. 0.010.009 — ред. 3-76. Метод изготовления печатной платы выби-
рают по количеству возможно размещаемых корпусов ИС на выбранной ее
площади и по разрешающей способности печати.

Задача обеспечения теплового режима ФЯ решается путем теплово-
го расчета в комплексе всего блока, однако существуют и некоторые
общие установки по размещению элементов на печатной плате и самих
ячеек в блоке:

64

наиболее теплонагруженные навесные ЭРЭ необходимо распола-
гать по периметру печатной платы;

при применении ИС с высоким тепловыделением под их корпусами
необходимо обеспечивать наличие теплоотводящих шин, соединенных
в общий коллектор тепла;

вертикальное расположение самих ФЯ в блоке всегда предпочти-
тельнее горизонтального.

Защита конструкции ФЯ от влияния факторов внешней среды, осо-
бенно влаги, требует обеспечения гидрофобности поверхности печат-
ной платы и самих компонентов. Наличие влаги с диэлектрической
проницаемостью ε = 80 может резко увеличить паразитную погонную
емкость между печатными проводниками, а следовательно, ухудшить
быстродействие, и при большом количестве влаги создать короткое за-
мыкание между ними. Поэтому чаще всего ФЯ покрывают полиурета-
новыми лаками с хорошими высокочастотными свойствами ( ε = =2,2 и
tgδ = 2 • 10 ^-4 ), например УР-231. При сочетании действия влаги и по-
вышенной температуры рекомендуют применение кремнийорганиче-

ских лаков (ε =3,5, tgδ=10^-3 , t_max = + 200° С, рабочие частоты 10⁶ ...10¹⁰ Гц), например КО-921.

Основной задачей при конструировании цифрового блока является
выбор оптимальной формы блока (разд. 3.8) при выбранной его компо-
новке. Для блоков цифровых РЭС III поколения наиболее характерны-
ми компоновочными схемами являются разъемная, т.е. с применением
разъемных соединителей на печатных платах, и книжная, в которой ФЯ
могут разворачиваться относительно оси вращения («переплета») на-
подобие страниц книги.

При разъемной компоновке конструкции ответные части разъемов
укрепляют рядами на общей соединительной плате. Соединения ячеек
с межблочными разъемами, укрепленными на одной из стенок корпуса,
осуществляют от выводов разъемов либо печатными проводниками, ли-
бо проволочными проводниками, связанными в жгуты. Ремонт и про-
верка ФЯ проводится в вынутом (выключенном) состоянии или во
включенном, но с помощью переходника — дополнительной монтаж-
ной платы, на верхней и нижней сторонах которой размещены части та-
кого же разъема, соединенные печатными проводниками. Книжная
компоновка блоков более компактна и позволяет осуществлять ремонт
и проверку ячеек во включенном состоянии при их развороте относи-
тельно оси вращения. Однако замена неисправной и неремонтируемой
ячейки затруднена, так как монтаж между яче'йками осуществлен от-
резками гибких шлейфов или гибких кабелей, печатные проводники
или проволочные выводы которых приварены или припаяны к вывод-

. 65

ним контактным площадкам и штырям печатных плат ячеек, а сама це-
почка шарнирных соединений, образующая основу «переплета» книги,
расклепана, и поэтому нужна сверловка заклепок.

На рис. 3.1 представлена конструкция ФЯ блока разъемного типа с
разъемным соединителем типа ГРПМ. Для повышения вибропрочности

Рис. 3.1. Конструкция ФЯ блока разъемного типа:

j — штырь-ловитель; 2 — развальцованная заклепка; 3 — вилка соединителя ГРПМ;

4 — обечайка; 5 — печатная плата; б — навесной ЭРЭ; 7 — корпусированная ИС;

8 — невыпадающий винт; 9 — зона установки схемных элементов

печатная многослойная плата обрамлена алюминиевой рамкой, в ниж-
ней части которой укреплены фиксаторы положения (штыри-ловите-
ли), а в верхней части — элементы крепления ФЯ в каркасе блока (не-
выпадающие винты). Верхняя планка рамки имеет два отверстия для
вынимания ячейки из блока с помощью крючка. Печатная плата на бур-
тиках рамки развальцовывается пустотелыми заклепками (латунными
пистонами). Компоновка микросхем в корпусах II типа (пластмассовые
со штырьевыми выводами за пределами проекции тела корпуса) одно-
значно определяет одностороннюю компоновку компонентов и реко-
мендуемый вид пайки в массовом производстве — пайку волной при-
поя. На рис. 3.2 показана конструкция блока разъемного типа.

66

Рис. 3.2. Конструкция блока разъемного типа:
1 — соединительная планка крепления;

2 — передняя стенка;

3 — функциональная ячейка;

4 — монтажно-распределительная коробка;

5 — каркас-поддон;

6 — соединитель ГРПМ;

7 — общая трассировочная плата

( кроссплата )

Рис. 3.3. Конструкция ФЯ блока книжного типа:

; — развальцованная заклепка; 2 —корпусированная ИС;

3 — печатная плата; 4 — обечайка; 5 — отрезок гибкого шлейфа;

6 — колодка гибкого шлейфа; 7 — элемент шарнирного крепления;8 — упорная втулка

На рис. 3.3 дана конструкция ФЯ блока книжного типа, а на рис. 3.4
конструкция самого блока из этих ячеек с вертикальными осями рас-
крытия двух пакетов ячеек. Особенностью конструкции ячейки являет-
ся наличие двух печатных плат с двухсторонним расположением мик-
росхем в корпусе IV типа (металлокерамический с планарными вывода-
ми) и рамки-обечайки с выступами по углам. Метод пайки — группо-
вой, общим паяльником-прижимом. Соединения между платами — от-
резки гибких шлейфов, крепление плат на рамке — развальцовкой пус-
тотелыми заклепками, выводные соединители — гибкие шлейфы с пла-
стмассовыми накладками на концах, в которых запрессованы штыри-
выводы под металлизированные отверстия на платах. Размер платы
170x240 мм снижает собственную частоту ячейки до 150...200 Гц, и виб-
ропрочность, требуемая для авиационной аппаратуры, в этом случае не
обеспечивается. Поэтому для увеличения собственной частоты ячейки
в центре между ФЯ укреплена упорная втулка, уменьшающая возмож-
ные прогибы.

Рис. 3.4. Конструкция блока книжного типа Ш поколения:
1 — передняя стенка; 2 — средняя стенка (каркас); 3 — кроссплата;
4 — гибкий шлейф; 5 — задняя стенка; 6 — функциональная ячейка

68

3.3. Конструирование цифровых функциональных ячеек и блоков
на бескорпусных микросборках

Главной особенностью конструкций цифровых РЭС на бескорпус-
ных микросборках является возможность уменьшения объема в пять
раз и массы в три раза по сравнению с конструкциями этого уровня на
корпусированных микросхемах. Одновременно повышается и надеж-
ность изделий за счет уменьшения числа паяных соединений и увели-
чения интеграции микросборок. Вместе с тем появляется ряд специфи-
ческих существенных особенностей и требований к новым конструкци-
ям. Рассмотрим их более подробно.

Значительное уменьшение объема в цифровых ФЯ с одновремен-
ным увеличением быстродействия их работы, а следовательно, и увели-
чением потребляемой мощности приводит к резкому возрастанию теп-
ловой напряженности в них и нарушению нормального теплового ре-
жима, что вызывает отказы в работе. Поэтому первой специфической
чертой новых конструкций ФЯ цифрового типа является наличие в них
мощных и эффективных теплоотводов. Такими теплоотводами являют-
ся металлические основания под бескорпусными МСБ и, в частности,
металлические рамки. Эти рамки, как правило, выполняют из алюмини-
евых сплавов АМг, АМц, В95, имеющих высокие значения коэффициен-
тов теплопроводности (160...180 Вт/(м·К)). Вторая специфическая
особенность этих конструкций заключается в том, что размещаемые на
металлических рамках бескорпусные МСБ (порядка восьми и более
штук) имеют значительное количество сигнальных входов и выходов, а
также шин питания и земли (порядка 24...30 с одной МСБ), что приво-
дит к появлению в конструкции большого числа тонких (d = 30...50
мкм) золотых проволочек — соединительных проводников, с одной
стороны приваренных (припаяных) к внешним контактным площадкам
МСБ, а с другой — к «язычку» металлизированных отверстий печатной
платы. При механических воздействиях, несмотря на небольшой прогиб
этих проволочек (длина проволочки l ≤ 100 d), возможны отрывы в мес-
тах приварки (пайки), т.е. внезапные отказы в соединениях и сбои во
всей ячейке. Кроме того, увеличение интеграции микросборок, а следо-
вательно, и площади самих подложек при постоянстве их толщины,
опять-таки создает опасность их растрескивания от ударов и вибраций.
Чтобы выполнить требования защиты конструкции от механических ре-
зонансов, усталостных напряжений, линейных перегрузок, в конструк-
циях ячеек IV поколения используют те же металлические рамки, но
характерной чертой их профиля является наличие ребер жесткости и
окон, а сами МСБ и печатные платы клеят к этим рамкам антивибраци-

69

онными компаундами типа КТ-102 или «Эластосил» для уменьшения
коэффициентов динамичности рамок. Наконец, требование уменьше-
ния массы заставляет делать эти рамки более ажурными.

Таким образом, спецификой конструкции ФЯ IV поколения цифро-
вого типа является наличие легких и прочных металлических рамок, га-
рантирующих достаточный теплоотвод, вибро- и ударопрочность яче-
ек. Обычно вибро- и ударопрочность обеспечиваются при выполне-
нии допустимых амплитуды колебаний элементов конструкции не
более 0,3 мм и виброскорости не более 800 мм/ с. Диапазон же частот
вибраций широк (от 30...50 Гц до 0,5...5 кГц) при возможных перегруз-
ках до 30...40 единиц. Допустимая удельная мощность рассеяния в ФЯ

может достигать величины 60 Вт/дм³ .

На рис. 3.5 показана конструкция металлической рамки, а на рис. 3.6
представлена схема установки и монтажа бескорпусных МСБ на ней.

Пример 3.2. Рассчитать геометрические размеры рамки, представ-
ленной на рис. 3.5. В рамке на ее вертикально расположенных планках
размещены восемь МСБ с размерами 24x30x0,5 мм.