КРЭС лаб раб 2006_ (КРЭС лаб раб 2006), страница 9

Одной из важных задач такогоанализа является исследование влияния формы пакета ФЯ на основныепоказатели конструкции.Форма конструкций РЭС обычно бывает прямоугольной и во многомопределяется рядом линейных размеров печатной платы Lx, Ly (рис.5.1).Рекомендуемые размеры заготовок печатных плат, компоновочная схема ФЯразъемного типа и формулы для определения размеров пакета ячеек иколичества ФЯ в пакете приведены в описании работы 2 (рис. 2.4,фор++мулы c (2.5) по (2.19)). Масса пакета из Nфя ячеек оценивается какmп=(mис·Nя+mс+mпп)·Nфя ,(5.1)34.где mис - масса корпуса МС; mс — масса соединителя; mпп —масса печатной платы, определяемая через объем и плотность ее материала.Данные для определения всех указанных величин приведены вприложениях.Объем пакета ФЯ примемVп = L x · L y · l п .(5.2)Порядок определения таких показателей качества конструкции, каккоэффициент дезинтеграции по массе qM, коэффициент дезинтеграции по66объему qV, плотность упаковки микросхем γМС, характеризующихкомпактность и материалоемкость конструкции, подробно изложен втеоретической части работы 1.

В данном случае под полезными массами иобъемами понимают соответственно массы и установочные объемы МС.Другие не менее важные показатели качества ― это вибропрочность итеплонапряженность, которые определяются требованиями ТЗ наэксплуатацию. В требованиях ТЗ на вибропрочность указываются диапазончастот внешних вибрационных воздействий fmin…fmax и допустимаяперегрузка nтз в этом диапазоне.

При совпадении частоты внешнихколебаний с частотой собственных колебаний конструкции возникаетявление резонанса, при котором амплитуда A колебаний элементовконструкции возрастает в µ раз (µ - коэффициент динамичностиконструкции). Это может привести к поломке выводов МС, разрушениюпаяных соединений, обрыву печатных проводников, поломке несущихконструкций и т.п. В области высоких частот (f≥0,5…1 кГц) наиболееопасными являются знакопеременные усталостные напряжения вконструкции, поэтому здесь накладываются ограничения на виброскоростьVдоп. В технических условиях на микросхемы оговаривается ограничение навибрационную перегрузку nдоп (см. приложение 4).

Критерийвибропрочности конструкции обсуждался в работе 3 (выражения (3.1), (3.2),(3.3)), там же приведен порядок расчета резонансных частот ячеек напечатных платах (формулы (3.4)…(3.7) и табл. 3.1).67Рис. 5.1При известных ограничениях на допустимую амплитуду колебанийэлементов конструкции Aдоп, виброскорость Vдоп и виброперегрузку nдоп сучетом возможного резонанса на частоте f0 и в соответствии с (3.1), (3.2)внешняя вибрация не должна превышать каждую из трех величин:nA ≤(2πf 0 )2 Aдопµg; nV ≤(2πf 0 )Vдопµg; na ≤nдопµ.(5.3)Если nдоп.min=min{nA,nV,na}≥nТЗ, то аппаратура вибропрочна.Теплонапряженность конструкции определяет ее тепловой режим. Онавыражается поверхностной (Вт/м2) или объемной (Вт/м3) плотностьютеплового потока.

В данной работе будем пользоваться первойхарактеристикой и обозначим ее Руд=Ррасс/Sп. Для микроэлектронныхблоков РЭС с естественным воздушным охлаждением допустимый перегрев68корпуса не более 20 оС в диапазоне температур окружающей среды от 20 до60 оС обеспечивается при плотности теплового потока не более 200 Вт/м2 [2,с. 19]. Рассеиваемую мощность цифровых РЭС можно принятьPрасс= (0,8…1,0)P0,(5.4)где P0=Pис·NТ – потребляемая блоком (всеми микросхемами) мощность.Для обеспечения нормального теплового режима пакета ФЯнеобходимо соблюдение условия Pрасс/Sп ≤ Pуд.доп. Форма конструкции (вданном случае пакета ФЯ) оказывает существенное влияние как на критерийвибропрочности, так и на критерий теплонапряженности.

В работе [3]показано это влияние на параметры блоков в виде математического играфического представлений, при этом введено понятие коэффициентапланарности конструкцииk2= а0/h',35.(5.5)где а0 - сторона эквивалентного куба, т.е. куба, по объему равногопакету ячеек; h' - высота конструкции.В нашем случае a0 = 3 VП , h'=HП. Площадь теплоотдачи аналогакубической формы Sк=6а03, а площадь теплоотдачи конструкции пакетапрямоугольной формы, как показано в [3] :1 ⎛2 ⎞⎟.Sп = S К ⎜ k2 +3 ⎜⎝k 2 ⎟⎠(5.6)Из выражения (5.6) следует, что при отклонении коэффициентапланарности от единицы как в большую, так и меньшую сторону, т.е.

отходеоткуба,площадьтеплоотдачивозрастает,аследовательно,теплонапряженность конструкции уменьшается.При увеличении коэффициента планарности площадь ФЯ возрастает, аследовательно, увеличивается и большая ее сторона (см. формулу (3.4)).Поскольку при увеличении коэффициента планарности материал, толщинапечатной платы и вид закрепления пластины в большинстве случаев неменяются, можно утверждать, что изменение собственной частоты пакетаотносительно пакета кубической формы обратно пропорциональнокоэффициенту планарности [3]. Изменения же собственной частоты будутвлиять на уровень допустимых перегрузок либо в прямой пропорции, либо в69квадрате (см.формулы (3.1) и (3.2)).

При сильном "расплющивании" куба впластину вибропрочность ФЯ резко падает,Таким образом, с увеличением степени планарности конструкциитепловая напряженность уменьшается, а допустимая величина перегрузкипри вибрациях падает. Поэтому для обеспечения обоих условий по Т3необходимо определить допустимые границы изменения коэффициентапланарности, т.е. выявлена такая форма конструкции, которая удовлетворялабы обоим критериям одновременно. При этом немаловажную роль играетвеличина плотности упаковки. Поэтому если существуют более одноговарианта допустимого коэффициента планарности, то надо выбрать тот, гдеплотность упаковки выше.Содержание работы1.

Ознакомиться с общими сведениями, рекомендуемой литературой ипорядком выполнения работы, правилами работы с персональной ЭВМ.2. Подобрать необходимый справочный материал для расчетов позаданным исходным данным.3. Рассчитать для заданных вариантов размеров печатных плат объем иудельную мощность рассеивания пакета ФЯ.4.

Рассчитать массы и показатели вибропрочности (резонансныечастоты и допустимые перегрузки) для этих вариантов.5. Рассчитать плотность упаковки и коэффициенты дезинтеграции масси объемов заданных вариантов.6. Построить графики зависимости Pуд, nдоп.min, qM, qV отk2, выявить оптимальное значениекоэффициентапланарностикоэффициента планарности и выбрать вариант конструкции пакета ФЯ,удовлетворяющего требованиям ТЗ.7. Разработать эскизы сборочного чертежа ФЯ и пакета ячееквыбранного варианта конструкций.Порядок выполнения работы1. Получить у преподавателя задание на конструирование, содержащее5…13 вариантов типоразмеров печатных плат, определяющих вариантыразукрупнения конструкции пакета ФЯ; серию и общее количествомикросхем в пакете; среднее количество задействованных выводовмикросхем; допустимую удельную мощность рассеивания; допустимуюамплитуду и виброскорость для элементов, установленных на платах;количество внешних контактов ячеек; способ закрепления плат в пакете;толщину печатных плат.

Дальнейшие расчеты выполнять с применениемперсональной ЭВМ.702. Определить среднюю мощность потребления МС Pмс (использоватьприложение 4).3. Подобрать тип соединителя в соответствии с требуемым числомконтактов (приложение 6), найти его габариты Lс, hс.4. Определить по приложениям 3,4 тип, габаритные размеры корпусамикросхем lx, ly и шаги установки микросхем на плате tx, ty.5.

По приложениям 1 и 2 установить размеры краевых полей x1, x2, y1,y2.6. Вычислить мощность, рассеиваемую пакетом ячеек, по (5.4)(приложение 4).7. Для каждого типоразмера платы рассчитать число микросхем наплате по формулам (2.17), (2.18), общее количество ячеек в пакете поформуле (2.19).8. Определить габариты ячейки и пакета ячеек Lx, Ly, Hя, lп поформулам (2.7), (2.8), массу и объем пакета ячеек, коэффициентыдезинтеграции массы и объема - по формулам (5.1), (5.2), (1.3), плотностьупаковки - по формуле (1,2). Длину и ширину пакета ячеек считать равнойдлине и ширине печатной платы функциональной ячейки.9.

Рассчитать коэффициенты планарности каждого вариантаконструкции пакета ячеек (5.5).10. Вычислить площадь теплоотдачи пакета ячеек, имеющего формупараллелепипеда, и поверхностную плотность теплового Руд=Ррасс/Sп.11. Рассчитать по приведенной методике значение собственной частотыячеек f0 и значения допустимых перегрузок по формулам (5.3).12. Занести рассчитанные значения в табл.5.1.13. Повторить пп. 7…12 для других типоразмеров плат.14. Построить графики зависимости Pуд, f0, nдоп.min, qM, qV, γ откоэффициента планарности k2.15. По графику определить диапазон значений k2, удовлетворяющиходновременно критериям тепловой напряженности и вибропрочности,выбрать оптимальное значение k2 по критерию плотности упаковки;определить соответствующий этому значению типоразмер печатной платы16.

Выполнить эскиз конструкции ФЯ и пакета ячеек.17. Оформить отчет по работе и представить его преподавателю длязащиты.71Содержание отчета1. Техническое задание на конструирование пакета ячеек.2. Расчеты конструктивных параметров и показателей качествавариантов конструкции на платах различных типоразмеров; результатырасчетов, сведенные в таблицу по форме табл.

5.1.3. Графики зависимостей величин Pуд, f0, nдоп.min, qM, qV, γ откоэффициента планарности.4. Эскизы конструкций ФЯ и пакета ячеек с указанием размеров,выполненные с соблюдением требований ЕСКД на листах миллиметровойбумаги или ватмана стандартного формата.5. Выводы по работе.Контрольные вопросы1.

Какие требования должны учитываться при выборе оптимальноговарианта конструктивного разукрупнения?2. Как определяется вибропрочность ячеек?3. Дайтеопределениепоказателейкачестваконструкции:коэффициента дезинтеграции, плотности упаковки.4. От чего зависит допустимая рассеиваемая мощность конструкции?5. Как форма пакета ячеек влияет на вибропрочность итеплонапряженность конструкции?6.