Конструктивные модули различных уровней

        Лекция № 9. Конструктивные модули различных уровней.

Модули нулевого уровня.

На низшем нулевом уровне конструктивной иерархии ЭА находятся микросхемы. Корпуса ИМС служат для защиты помещенных в них полупроводниковых кристаллов, подложек и электрических соединений от внешних воздействий, а также для удобства при сборке и монтаже модулей первого уровня. Кристаллы и подложки приклеивают или припаивают к основанию корпуса, а выходные контакты подсоединяют к выводам корпуса пайкой или сваркой.

Корпуса микросхем бывают металлостеклянными, металлокерамическими, металлопластмассовыми, стеклянными, керамическими и пластмассовыми. В первых трех разновидностях крышка выполняется металлической, а основание стеклянным, керамическим или пластмассовым. Металлическая крышка обеспечивает эффективную влагозащиту при хорошем отводе тепла от кристалла, снижает уровень помех.  Для правильной установки корпуса ИМС имеют ключ, расположенный в зоне первого вывода (выводы нумеруются слева направо или по часовой стрелке). Ключ делается в виде металлизированной метки, выемки или паза в корпусе. 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.

Типы корпусов микросхем подразделяют на типоразмеры, каждому из которых присваивают шифр, обозначающий тип корпуса и порядковый номер типоразмера. Затем через точку указывается количество выводов корпуса.

Микросборки. Модуль 0,5 уровня.

Микросборки – это бескорпусные активные элементы фиксируются клеем на подложке, на которой методом тонко- или толстопленочной технологии выполняются проводники, контактные площадки цепей входа и выхода, пленочные пассивные компоненты. Фактически микросборки представляют собой бескорпусные гибридные ИМС индивидуального применения. По технологии изготовления микросборки не отличаются от гибридных микросхем, а по функциональной сложности и степени интеграции соответствуют БИС. Микросборки разрабатывают под конкретную аппаратуру для получения высоких показателей ее микроминиатюризации, уменьшения потерь полезного объема аппаратуры.

Высокая насыщенность монтажа достигается использованием новых материалов и увеличением слоев коммутации. Материалом подложек могу быть некоторые виды стекол и керамики. Например, ситалл (материал на основе стекла), поликор (керамика на основе окиси алюминия), гибкие полиамидные пленки. Размеры ситалловых подложек не превышают 48х60 мм, поликоровых – 24х30 мм. Для увеличения механической жесткости и тепловой стойкости гибкие пленки чаще всего фиксируют на пластине из алюминиевого сплава. Максимальные размеры таких подложек 100х100 мм, плотность разводки 5 линий/мм (минимальная 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.

Рекомендуемые материалы

При конструировании модулей первого уровня выполняются следующие работы:

· изучение функциональных схем с целью выявления одинаковых по назначению подсхем и унификации их структуры в пределах конкретного изделия, что приводит к уменьшению номенклатуры ТЭЗов;

· выбор серии микросхем, корпусов дискретных ЭРЭ;

· выбор единого максимально допустимого числа выводов соединителя для всех типов модулей;

· определение длины и ширины печатной платы. Ширина платы кратна или равна длине соединителя с учетом полей установки и закрепления платы  в модуле второго уровня. На длину платы влияют требовании по быстродействию и количество устанавливаемых на плату компонентов;

· собственно конструирование печатной платы;

· выбор способов защиты модуля от перегрева и внешних воздействий.

Рис. 9. Типовой элемент замены:

1 – лицевая панель; 2 – невыпадающий винт; 3 – печатная плата; 4 – микросхема; 5 – развязывающий конденсатор; 6 – электрический соединитель.

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, улучшенный тепловой режим.

Лицевая панель выполняет сразу несколько функций. На ней располагают элементы индикации и управления, контрольные гнезда, электрические соединители. Лицевая панель совместно с монтажными панелями модулей высших уровней направляет охлаждающий воздух к теплонагруженным компонентам. Если ТЭЗ отсутствует, то на его место устанавливают заглушку, чтобы не нарушать движение воздуха внутри аппарата. Панель и электрический соединитель крепят к печатной плате винтовыми или заклепочными соединениями. В условиях жестких механических воздействий плату ТЭЗа устанавливают на рамку, что увеличивает жесткость конструкции.

При конструировании печатных плат необходимо решить задачи:

· выбора проводниковых и изоляционных материалов, формы и размеров печатных плат, способов установки компонентов;

· определения ширины, длины и толщины печатных проводников, расстояний между ними, диаметров монтажных и переходных отверстий, размеров контактных площадок;

· трассировки печатного монтажа;

· оформления конструкторской документации.

Модули второго уровня.

К модулям второго уровня относятся блоки различных видов. В том случае, если максимальные размеры плат входящих в состав блока ограничены, то на плату можно установить вместе с компонентами схемы электрические соединители, в которые, в свою очередь устанавливать ТЭЗ с недостающими компонентами схемы прибора. Таким образом, объединительная плата является модификацией платы электроники. В зарубежной литературе ее называют motherboard – материнской платой.

Рис. 10. Объединительная (материнская)        Рис. 11. Компоновочные схемы                              плата:                                                                                           блоков в виде параллелепипеда (а),

1 – микросхема; 2 – объединительная плата;                           цилиндра (б), сферы (в)

3 – ответный разъем ТЭЗа; 4 – ТЭЗ.                                         1 – ТЭЗ; 2 – монтажная панель.

Иногда схема, реализуемая на плате, может быть таких размеров, что современные методы производства не могут обеспечить ее изготовление, тогда схема разбивается на несколько плат меньших размеров, объединенных конструктивно в блоке монтажной панелью. При конструировании блоков применяют стеллажный, этажерочный и книжный варианты конструкций в форме параллелепипеда с негерметичным или герметичным корпусом.        

Блоки стеллажного типа компонуются из ТЭЗов,  которые устанавливаются в один или несколько рядов перпендикулярно монтажной панели. Основным конструктивным элементом блока является каркас монтажной панелью и соединителями. Блоки с защитными кожухами и крышками являются самостоятельными изделиями пригодными к эксплуатации. В переднюю панель блока (прибора) устанавливают элементы индикации, измерительные узлы, элементы управления, электрические соединители. Элементы управления и соединители, не требующие частого доступа, а также предохранители выносят на заднюю панель. При компоновке изделий необходимо обеспечить свободный доступ к электрическим соединителям монтажных панелей для контроля и к ТЭЗ для их замены.

Рис. 12. Вертикальное поперечное (а), вертикальное продольное (б), горизонтальное (в) расположение монтажной панели блоков стеллажной конструкции:

1 – каркас; 2 – лицевая панель; 3 – монтажная панель; 4 – соединитель; 5 – ТЭЗ.

В блоках книжной конструкции механическое соединение печатных плат между собой и с несущей конструкцией обеспечивается шарнирными узлами. В рабочем состоянии платы объединяются в пакет стяжными винтами или резьбовыми шпильками. В сложных конструкциях используют шарнирные узлы, объединенные в наборы – пакеты, которые крепятся к несущей конструкции блока. В блоках с откидными платами платы механически объединяют между собой и с несущей конструкцией подвижным соединением на оси, позволяющим обеспечивать поворот любой платы и контроль этой платы в откинутом положении при функционировании блока.

Рис. 13. Вертикальная (а, б) и горизон-                                  Рис. 14. Вертикальное (а) и гори-

тальная (в) оси раскрытия блоков книжной                      зонтальное (б) направления от-

конструкции:                                                                            кидывания плат в блоках:

1 – плата в сборе; 2 – коммутационная                           1 – кожух; 2 – плата; 3 – откину-

печатная плата; 3 – несущая конструкция                   тая плата; 4 – несущая конструкция;

блока; 4 – шарнирный узел                                                        5 – ось шарнира.

Этажерочная компоновка блока достигается параллельным объединением между собой плат и установочной панели в единую конструкцию стяжными винтами. Шаг установки между платами пакета обеспечивается введением в конструкцию. Распорных втулок. Несущей конструкцией блока является установочная панель. Возможны вертикальная и горизонтальная установка панели в модуле высшего уровня.

Рис. 15. Вертикальная (а) и горизонтальная (б) расположение установочной панели в блоках этажерочной конструкции:

1 – установочная панель; 2 – стяжной винт; 3 – плата; 4 – кожух.

Модуль третьего уровня.

К модулям этого типа относятся шкафные стойки, стойки, шкафы, которые предназначены для установки блоков или рам и обеспечения их работоспособности в составе ЭА. Рамы в стойке служат для установки и коммутации неразъемных и разъемных вставных блоков. Конструктивной основой рамы, шкафа или стойки является каркас с направляющими. На каркасе крепятся крышка с вентиляционными отверстиями, два боковых щита и подвешиваются дверцы. По требованиям техники безопасности, а также из соображений экранирования стойки электрическое сопротивление между деталями каркаса должно быть минимально, для чего все детали каркаса, щиты и дверцы электрически объединяют оплеткой экранированного провода.

Рис. 16. Каркас шкафной стойки:

1 – крышка; 2 – верхнее основание каркаса; 3 – боковина; 4 – щит; 5 – элемент жесткости щита; 6 – кронштейн; 7 – подвеска дверцы; 8 – нижнее основание каркаса; 9 – ручка; 10 – дверца.

Обратите внимание на лекцию "Silverrun и JAM".

Рис. 17. Принципы компоновки шкафных стоек:

1 – каркас;  2 – рама;  3 – неразъемный блок;  4, 9, 10 – разъемные вставные блоки;  5 – ТЭЗ;   6 – микросхема; 7 – печатная плата в сборе; 8 –разъем.

Рис. 18. Компоновка стойки блоками:

1 – каркас стойки;   2 – коробчатая конструкция;   3 – направляющая;   4 – базовый блок;        5, 6 – частичные блоки.