102348 (706113), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

_б= (N_ИС*n_э )/(q_V* N_ИС*V_ИС) =_ИС/ q_V , (2)

где _ИС=n_э/ V_ИС – плотность упаковки элементов в ИС.

Как показано выше, в бескорпусных ИС цифрового типа малой степени интеграции эта величина составляет 40 тыс.эл./см³. При установке бескорпусных ИС в корпус, например IV типа, происходит увеличение объема примерно в 200 раз, а при установке корпусированных ИС на плату и далее компоновке их в объеме корпуса еще в 5 раз, т.е. суммарный коэффициент дезинтеграции составляет уже 10³, при этом и получается _б=40 эл/см³, что характерно для блоков III поколения РЭС цифрового типа.

Из выражения (2) следует, что конструирование цифровых устройств высокой интеграции требует от разработчика не только применения БИС и СБИС, но и достаточно компактной компоновки. Для конструкций аналоговых ЭС, где не наблюдается четко выраженных регулярных структур активных элементов, где их число становится соизмеримым или даже меньшим, чем число пассивных навесных ЭРЭ (обычно одну аналоговую ИС "обрамляют" до 10 пассивных элементов: конденсаторов вместе с катушками и фильтрами), коэффициенты дезинтеграции объема еще более возрастает (в 3…4 раза). Из этого следует, что сравнивать конструктивы разного уровня иерархии и различных по назначению и принципу действия нельзя, т.е. этот показатель качества для всех ЭС не является универсальным. К тому же добавим, что если в одной компактной конструкции применили ИС малой степени интеграции (до 100 элементов на корпус), а в другой – плохо скомпоноввнной, но на БИС, то может оказаться по этому показателю, что вторая конструкция лучше, хотя явно видно, что она хуже. Поэтому в случае применения элементной базы разной степени интеграции сравнение конструкций по плотности компоновки неправомерно.

Таким образом, плотность упаковки элементов в объеме конструктива является действительной оценкой качества конструкции, но пользоваться этим критерием для сравнения надо грамотно и объективно.

Удельная мощность рассеивания определяет тепловую напряженность в объеме конструктива и рассчитывается как Р_{уд.расс}=Р_расс/V, где Р_расс(0,8…0,9)Р для цифровых регулярных структур. В аналоговых, в особенности в приемоусилительных ячейках и блоках, мощности рассеивания и теплонапряженности невелики и тепловой режим обычно бывает нормальным и с большим запасом по этому параметру. В устройствах цифрового типа это, как правило, не наблюдается. Чем выше требования на быстродействие вычислительных средств, тем больше величина потребляемой мощности, тем выше теплонапряженность. Для РЭС на бескорпусных МСБ эта проблема еще более усугубляется, так как объем при переходе от III к IV поколению уменьшается, как было отмечено выше, в 5…6 раз. Поэтому в конструкциях блоков цифрового типа на бескорпусных МСБ обязательным является наличие мощных теплоотводов (металлических рамок, медных печатных шин и т.п.) В некоторых случаях в бортовых РЭС применяют и системы охлаждения, выбор типа которых проводится по критерию удельной мощности рассеивания с поверхности блока (Р_{уд.расс}=Р_расс/S, Вт/см²). Для блоков цифрового типа III поколения допускаемая тепловая напряженность составляет 20…30 Вт/дм³ в условиях естественной конвекции и при перегреве корпуса относительно среды не более, чем 40 ^ОС, а для блоков IV поколения порядка 40 Вт/дм³ и более.

Удельная масса конструкции выражается как m=m/V. Этот параметр ранее считался за главный критерий оценки качества аппаратуры и далее было условное деление конструкций на "тонущую РЭА" (m>1 г/см³) и "плавающую РЭА" (m<1 г/см³). Если конструкция была тонущая, то считали, что она компактна и хорошо скомпонована (мало воздуха и пустот в корпусе). Однако с появление IV поколения конструкций РЭС, где преобладающей долей массы являлись металлические рамки и с более толстыми стенками корпус (для обеспечения требуемой жесткости корпуса при накачке внутрь его азота), даже плохо скомпонованные ячейки оказывались тонущими. И чем больше и впустую расходовался металл, тем более возрастал этот показатель, переставший отражать качество компоновки и конструкции в целом. Поэтому для сравнения качества конструкций по этому критерию отказались, но он оказался полезным для решения другой задачи, а именно, распределение ресурса масс в конструктивах.

Величина истечения газа из объема конструкции оценивает степень ее герметичности и определяется как

D=V_г*р/ , (3)

где V_г - объем газа в блоке, дм³;

р – величина перепада внутреннего и внешнего давления (избыточного давления) в блоке, Па (1 Па=7,5 мкм рт.ст.);

- срок службы или хранения, с.

Для блоков с объемом V_г=0,15…0,2 дм³ в ответственных случаях при выдержке нормального давления к концу срока службы (8 лет) требуется D=6,65*10^-6 дм³*Па/с (или 5,5*10^-5 дм³*мкм рт.ст/с), в менее ответственных случаях полная вакуумная герметизация не обеспечивается и степень герметичности может быть уменьшена до значения 10^-3 дм³*мкм.рт.ст/с.

В группе относительных показателей находятся коэффициенты дезинтеграции объема и массы, показатель функционального расчленения, величина перегрузки конструкции при вибрациях и ударах, а также многие параметры технологичности конструкции такие, как коэффициенты унификации и стандартизации, коэффициент повторяемости материалов и изделий электронной техники, коэффициент автоматизации и механизации и др. Последние достаточно хорошо известны из технологических дисциплин, поэтому повторять их содержание и влияние на качество конструкции не станем.

Как уже отмечалось выше при рассмотрении плотности упаковки, в конструкциях РЭС разного уровня компоновки присутствуют потери полезного объема, а следовательно, и масс при корпусировании ИС, компоновке их в ячейки и далее в блоки, стойки. Уровень их может быть весьма значительным (в десятки и сотни раз). Оценки этих потерь (дезинтеграции) объемов и масс проводится с помощью коэффициентов дезинтеграции q_V и q_m соответственно, выражаемые как отношение суммарного объема (массы) конструктива к его полезному объему (массе), или

q_V=V/V_N, q_m=m/m_N, (4)

где V_N=V_с.э., m_N=m_с.э. – полезный объем и масса схемных элементов.

При переходе с одного уровня компоновки на более высший уровень коэффициенты дезинтеграции объема (или массы) q_V(m) показывают, во сколько раз увеличиваются суммарные объем (или масса) комплектующих изделий к следующей конкретной форме их компоновки, например при переходе от нулевого уровня – корпусированных микросхем к первому – функциональной ячейке имеем q_V(m)=V(m)_ФЯ/V(m)_ИС, при переходе от уровня ячейки к блоку q_V(m)= V(m)_б/V(m)_ФЯ и т.д., где V(m)_ИС, V(m)_ФЯ, V(m)_б – соответственно объемы (или массы) микросхемы, ячейки, блока.

Как и в случае критерия плотности упаковки заметим, что коэффициенты дезинтеграции реально отражают качество конструкции, в частности ее компактность, но и они не могут быть использованы для сравнения конструктивов, если они относятся к разным поколениям, разным уровням конструктивной иерархии или ЭС различного назначения и принципа действия.

Анализ существующих наиболее типовых и компактных конструктивов различных поколений и различного назначения позволил получить средние значения их коэффициентов дезинтеграции объема и массы (табл. 1). там же приведены значения удельной массы конструктивов.

Показатель функционального разукрупнения конструкции представляет собой отношение количества элементов N в конструктиве к количеству выводов М из него, или ПФР=N/M. Например для цифровой бескорпусной МСБ, содержащей 12 бескорпусных ИС с 40 элементами в каждом кристалле (N=40*12=480 элементов) и 16 выходными площадками, имеем ПФР=480/16=30. Чем выше ПФР, тем ближе конструкция к конструктиву высокой интеграции, тем меньше монтажных соединений между ними, тем выше надежность и меньше масса и габариты. Наибольшее число функций и элементов монтажа "вбирают" в себя БИСы и СБИСы. Однако и у них есть предел степени интеграции, оговариваемый именно количеством допустимых выводов от активной площади кристалла к периферийным контактным площадкам.

Таблица 11.1.

*КТЕ – конструктивно-технологическая единица, для ЭС III поколения – это корпусированная ИС, для ЭС IV поколения – бескорпусная МСБ.

Наконец, величина перегрузки n действующих на конструкцию вибраций или ударов оценивается как отношение возникающего от их действия ускорения масс элементов конструкции к ускорению свободного падения, или n=a/g, где а – величина ускорения при вибрации (или ударе). Вибро- и ударопрочность конструкции определяются значениями величин допускаемых перегрузок при вибрациях и ударах, которые может выдержать конструкция без разрушения своих связей между элементами. Для того, чтобы эти свойства были обеспечены, необходимо, чтобы реально возникающие в тех или иных условиях эксплуатации перегрузки не превышали предельно допустимых для конкретной конструкции.

3. Выбор элементной базы и материалов конструкции ЭС

Выбор элементной базы и материалов конструкции ЭС производится по критерию предпочтения

, , (5)

где n – число параметров компонента (материала);

_i – коэффициен значимости ("веса") i – го параметра, i=1,2…m;

а_i – нормированный параметр компонента (материала).

Если рассматриваются по критерию предпочтения j вариантов для выбора из них предпочтительного, то значения критерия предпочтения для каждого варианта оценивается по формуле

, (i=1,2…m) (6),

где а_ij – нормированный параметр I относительно одного из выбранных вариантов j (j=1,2…n) или значений параметра заданного ТЗ на проектирование.

Коэффициенты значимости определяются методом экспертных оценок по результатам небольшой статистической совокупности данных, полученных путем опроса q специалистов данного профиля конструирования конкретного класса РЭС. Известными способами обработки статистических данных (получения среднего значения , q=1,2…k среднеквадратичного , где _iq – значение _i данное q-ым специалистом) определяют среднее значение и среднеквадратичное _i, при этом те значения _iq, которые лежат за пределами _i, отбрасывают и снова определяют _i, которые и используют в дальнейших расчетах. Для нахождения нормированных значений параметров а_ij вначале составляют матрицу

,

где x_ij – справочные данные на i-параметр в j-ом варианте.

Поскольку с увеличением одних параметров качество изделия улучшается, а с увеличение других – ухудшается, то последние преобразуются в обратные величины и составляется матрица

,

в которой для первых приняты y_ij=x_ij, а для вторых (ухудшающих качество) y_ij=1/x_ij.

При оценке сравнения вариантов по качеству можно остановиться на этой второй матрице и по формуле (6), заменив y_ij на a_ij, рассчитать Q_j. Вариант, обладающий большим значением критерия качества будет предпочтительным. Можно также предложить вычисления, введя матрицу

,

где , y_jmax – максимальное значение параметра i в матрице для j-ого варианта (столбца матрица). Чем ближе y_ij к y_imax, тем ближе этот вариант к высокому качеству, разность же (числитель) будет меньше, будет меньше и Q_ij, следовательно, и само значение Q получится меньше. Поэтому предпочтительным вариантом надо считать тот, у которого величина Q будет минимальной. Пример 2 Пусть задано спроектировать ЭВМ, к которой предъявляются основные требования по минимально возможной массе m, высокому быстродействию и надежности. Для серий логических ИС главными паспортными параметрами являются: t_з – время задержки сигнала, U_пх – напряжение помехи (уровень помехоустойчивости тем выше, чем больше это значение), Р_о(I_о) – потребляемая мощность (ток), n – коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность), масса корпуса m. В таблице 2 представлены исходные данные для выбора предпочтительного варианта из нескольких серий ИС, а также коэффициенты значимости параметров.

Таблица 2

Запишем матрицу :

Далее составим матрицу и :

Рассчитаем показатели Q для этих вариантов:

Q₁=0,35*0,55+0,2*0,2+0,1*1+0,35*0,2=0,4025;

Q₂=0,35*0,95+0,2*0,4=0,4125; Q₃=0,1*0,99=0,099;

Q₄=0,35*0,85+0,1*0,999=0,3974.

Таким образом, третий вариант (серия К531) предпочтительнее.

Аналогичным образом можно выбирать материалы печатных плат, корпусов, рамок, а также типы ЭРЭ, если среди многих их характеристик выбрать наиболее влияющие на качество ЭС, например на жесткость и прочность несущих конструкций, надежность стабильность и точность ЭРЭ.

Характеристики

Список файлов реферата