В.П. Пашков, Я. А. Поповская, О.М.Филонов

Технология приборостроения

Конструирование и технология электронно-вычислительных, радиоэлектронных и приборных систем

Санкт-Петербург

2012 год

УДК 621.317.681.2-181.4

ПАШКОВ В.П.. ПОПОВСКАЯ Я.А., ФИЛОНОВ О.М.

Технология приборостроения. Конструирование и технология электронно-вычислительных, радиоэлектронных и приборных систем: Учеб пособие/ГУАП.СПб, 2009. 100 с.: ил.27 ISBN 5-230-Т0268-3.

Рассмотрено содержание этапов конструирования электронных модулей аэрокосмической аппаратуры. Даны методики расчета вибропроч­ности и виброустойчивости конструкции и оценки надежности функциональных модулей приборов. Изложены задачи обеспечения заданной точности автоматизи­рованной сборки электронных модулей. Специальный раздел посвящен вопросам проведения механических испытаний.

Учебное пособие предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по специальностям: «Проектирование и технология электронно-вычислительных систем», «Проектирование и технология радиоэлектронных систем», «Технология приборостроения».

Предисловие

Современные электронно-вычислительные, радиоэлектронные и приборные системы содержат большое количество разнообраз­ных элементов микроэлектронной аппаратуры на интегральных схемах (ИС) и микросборках (МСБ). Микроэлектронная аппаратура является наиболее перспективной для создания современных аэрокосмических систем, так как обладает наилучшими массогабаритными, надежностными показателями, высоким быстродействием и точностью, малой потребляемой мощностью.

Качество микроэлектронной авиационной аппаратуры в значи­тельной степени определяется уровнем используемой элементной ба­зы, а также совершенством выбранных конструкторских и технологи­ческих решений в процессах проектирования и производства. Основ­ной принцип создания такой аппаратуры базируется на общности схемных, конструктивных и технологических решений. Микроэлект­ронная аппаратура реализуется на типовых, часто повторяющихся, стандартных модулях с единой элементной, конструктивной и техно­логической базой. В производстве электронных модулей широко при­меняются групповые технологические процессы (ТП), характеризую­щиеся высокой степенью автоматизации управления и контроля каче­ства.

Использование прогрессивных технологий формирования полу­проводниковых и пленочных структур, автоматизированных сборочно-монтажных процессов на базе гибких роботизированных систем, ис­ключение ручных операций позволяют достигать высокого уровня ка­чества микроэлектронных изделий.

В этих условиях значительно возрастает роль вопросов обес­печения и оценки надежности на всех этапах создания и эксплуата­ции аэрокосмических устройств. Рациональный выбор показателей надежности и мето­дики их расчета служит основой разработки авиационной аппаратуры, удовлетворяющей заданным требованиям эффективности функциониро­вания .

В пособии рассматривается комплекс вопросов, связанных с особенностями конструирования, оценки надежности, технологии автоматизированной сборки микроэлектронных узлов аэрокосмических устройств, а также проведения испытаний.

I. Конструирование электронных модулей аэрокосмической аппаратуры

1. Основные этапы конструирования электронных модулей

Вся микроэлектронная аппаратура подразделяется на ряд кон­структивных уровней, характеризующихся специфическими методами проектирования и изготовления. В настоящее время существуют че­тыре уровня компоновки конструкций микроэлектронной аппаратуры:

1. Корпусированные и бескорпусные микросхемы и микросборки.

2. Функциональные ячейки, на общем несущем основании которых объединяются модули первого уровня (микросхемы и микросборки), навесные электрорадиоэлементы (ЗРЭ), компоненты коммутации и контроля.

3. Блоки, компоновка которых осуществляется путем сборки функ­циональных ячеек в пакеты, а пакеты корпусируются в блоки.

4. Многоблочные конструкции, в которых блоки компонуются в об­щем несущем основании, например, шкафы, стойки, пульты.

Конструкция электронных модулей должна обеспечи­вать:

- минимальную массу и габариты;

- простоту и безопасность обслуживания; - свободный и удобный доступ к регулировочным и подстроечным элементам; - высокую ремонтопригодность при выполнении ремонтных и отла­дочных работ - нормальный тепловой режим всех изделий электронной техники (ИЭТ); - устойчивость к механическим воздействиям; - электромагнитную совместимость составляющих элементов; - требуемый уровень технологичности.

Наиболее сложными и трудоемкими в процессе проектирования и изготовления являются конструктивные модули второго уровня - функциональные ячейки. В качестве несущего основания ячеек ис­пользуются чаще всего печатные платы (ПП) различной конструкции [I] .

Процесс проектирования функциональных ячеек включает сле­дующие основные этапы: - выбор варианта конструкции ячейки;

- выбор или обоснование типа ПП;

- выбор габаритных размеров и конфигурации ПП;

- выбор материала основания ПП;

- размещение навесных элементов на ПП;

- трассировка проводников;

- расчет и размещение на ПП элементов печатного рисунка;

- расчет электрических параметров проводников печатного ри­сунка;

- оценка помехоустойчивости ИЭТ на ПП;

- расчет вибропрочности ПП;

- расчет теплового режима ИЭТ на ПП;

- разработка конструкторской документации.

Выбор варианта конструкции ячейки в основном определяется тактико-техническими требованиями на ап­паратуру, требованием обеспечения заданного показателя техноло­гичности изделия и действующих нормативно-технических документов на ее проектирование и изготовление. По своему конструктивному назначению ячейки, как правило, предназначены для установки в блоки, поэтому выбор варианта ее конструктивного исполнения ха­рактеризуется вариантом конструкции блока. Существуют три основ­ных варианта конструкции блоков: разъемная, книжная и кассетная. Наиболее широкое применение нашла разъемная конструкция блоков. А наименьшее применение из-за низкой технологичности – кассетная конструкция.

Конструктивно ячейки подразделяются по различиям в несущей конструкции, обеспечивающей механическую прочность модуля. Это различие заключается в наличии или отсутствии рамок, предназна­ченных для улучшения эксплуатационных параметров, а в некоторых случаях - для исключения деформации ПП, которая возникает как в процессе изготовления, так и эксплуатации под действием внеш­ней среды. Выбор варианта конструкции (рамочный или безрамочный) должен осуществляться на первом этапе проектирования, исходя из требований к механическим воздействиям, а также с учетом линей­ных размеров ПП.

На рис. 1.1 приведена классификация возможных конструкций, которая включает в себя помимо различных исполнений и различные варианты компоновки ИЭТ на ПП [2,3]. На рис. 1.2 представлена конструкция разъемной безрамочной ячейки, а на рис. 1.3 - конструкция разъемной рамочной ячейки.

Для безрамочной конструкции основным элементом крепления является планка I, которая устанавливается на ПП2 с противоположной стороны установки электрического соединителя 3. Такие планки предназначены для индивидуального крепления ячеек в блоке и выполняются в различных конструктивных модификациях, что диктуется требованиями легкосъемности ячеек и видами аппаратуры. Материалом планок, как правило, является алюминиевый сплав АЛ-9 или полиамид. В ячейках разъемной рамочной конструкции роль элемента крепления выполняет рамка I, создающая необходимую жесткость конструкции и одновременно отводящая тепло на корпус блока. Крепление ПП ячеек в рамочной конструкции осуществляется с по­мощью винтов, заклепок или резьбовых втулок по углам не менее, чем в четырех точках. При необходимости вводятся дополнитель­ные точки крепления в средней части платы, число которых опре­деляется требованиями механической прочности, предъявляемой к аппаратуре.

Элементы фиксации для ориентирования ячеек в блоках разъ­емной конструкции выполняются в виде штырей-ловителей 4, которые служат для обеспечения совмещения ячейки, с ответной частью соединителя 3. Такие планки предназначены для индивидуального крепления ячеек в бло­ке и выполняются в различных конструктивных модификациях, что диктуется требованиями легкосъемности ячеек и видами аппарату­ры. Материалом планок, как правило, является алюминиевый сплав АЛ-9 или полиамид. В ячейках разъемной рамочной конструкции роль элемента крепления выполняет рамка I, создающая необходимую жесткость конструкции и одновременно отводящая тепло на корпус блока. Крепление ПП ячеек в рамочной конструкции осуществляется с по­мощью винтов, заклепок или резьбовых втулок по углам не менее, чем в четырех точках. При необходимости вводятся дополнитель­ные точки крепления в средней части платы, число которых опре­деляется требованиями механической прочности, предъявляемой к аппаратуре. Элементы фиксации для ориентирования ячеек в блоках разъ­емной конструкции выполняются в виде штырей-ловителей 4, которые служат для обеспечения совмещения ячейки, с ответной частью соединителя 3.

После выбора конструкции ячейки решается задача размещения конструктивно-технологических зон на ПП (рис. 1.4). Монтажная зона S предназначается только для размещения КС, МСБ и других ЭРЭ; S1, - для установки электри­ческого соединителя и его комму­тации с зоной S; S2 - для расположения элементов крепления ячейки или элементов контроля; S3 и S4 - для направляющих, ис­пользуемых при установке ячеек в блок.

При выборе типа ПП учитываются требования ТЗ, осо­бенности принципиальной электри­ческой схемы и компоновки изделия, в состав которого входит ячейка, также трудоемкость и стоимость изготовления платы. На этом этапе выбирается конструкция ПП (односторонняя, двусторонняя, многослойная) и, обосновывается класс точности выполнения проводящего рисунка, регламентирующий номинальные значения основных параметров печатных элементов для узкого места.

Габаритные размеры, конфигурацию и места крепления ПП выбираются в зависимости от установочных размеров, элементной базы, эксплуатационных характеристик и класса точно­сти. Рекомендуется разрабатывать ПП простой прямоугольной формы. Длину стороны ПП выбирают таким образом, чтобы она была кратной: 2,5 при длине до 100 мм; 5 при длине (100-350) мм; ТО при длине свыше 350 мм. При определении геометрии следует пользоваться размерами типовых рядов унифицированных базовых несущих конст­рукций и количество типоразмеров ПП в одном изделии сводить к минимуму.

Толщина ПП зависит от исходного материала, исполь­зуемой элементной базы и воздействующих механических нагрузок. Предпочтительными значениями номинальных толщин одно- и двусторонних ПП являются 0,8; 1,0; 1,5; 2,0 мм.

Материал основания платы должен обеспечи­вать стабильность физико-механических и электрических парамет­ров ПП после воздействия механических нагрузок, климатических факторов и агрессивных химических сред. Основной материал современных ПП – стеклотекстолит различных марок. В условиях вибрационных нагрузок материал ПП должен обеспечивать при заданных габаритах и точках крепления отсутствие резонансных явлений.

Размещение навесных элементов на ПП следует согласовывать с конструктивными требованиями на ячейку, блок и изделие в целом. При размещении навесных элементов необ­ходимо предусматривать их рациональное взаимное расположение, чтобы обеспечить наиболее простую трассировку; малое взаимное влияние на электрические параметры; автоматическую сборку, пай­ку и контроль; малые габариты и массу; ремонтопригодность; эффективный теплоотвод.

Выбор варианта установки элементов на ПП производится в соответствии с заданными условиями эксплуатации и другими тех­ническими требованиями к конструкции ячейки, блока или изделия.

Размещение навесных ИЭТ на ПП согласовывается с конструк­тивными требованиями на ячейку, блок и устройство в целом. При расположении ИЭТ необходимо предусматривать: обеспечение основ­ных технических требований, предъявляемых к изделию (автоматизированную сборку, пайку, контроль); достижение заданной надежности, малых габаритных размеров и массы; учет теплового режима.

Выбор вариантов установки ИЭТ на ПП производится в соответ­ствии с заданными условиями эксплуатации и другими техническими требованиями к конструкции ячейки.

Корпусные ИС и МСБ располагают на ПП правильными геометрическими рядами (рис. 1.5). ИС и МСБ со штыревыми выводами с ша­гом 2,5 мм размещают на ПП таким образом, чтобы выводы совпада­ли с узлами координатной сетки. При другом шаге эти элементы необходимо располагать так, чтобы один или несколько выводов совпадали с узлами координатной сетки. Корпусные и бескорпусные ИС и МСБ с пленарными выводами размещаются на ПП по предварительной разметке относительно координатной сетки с обязательным расположением выводов симметрич­но контактным площадкам. Первый вывод корпуса ИС и МСБ совмеща­ется с первой контактной площадкой, имеющей ключ, нанесенный на ПП. ИС и МСБ со штыревыми выводами устанавливаются только с од­ной стороны ПП, а с планарными выводами могут устанавливаться с обеих сторон ПП симметрично друг другу.

Шаг установки ИС и МСБ определяется размерами корпусов, требуемой плотностью компоновки, тепловым режимом блока, механическими воздействиями, дестабилизирующими факторами, методам разра­ботки топологии ПП, их слойностью и координатной сеткой. При размещении ИЭТ уточняются также значения краевых полей x₁, x₂, у₁, y₂, представляющие собой расстояния от края ПП по осям X и Y до первого ряда выводов корпусов ИС и МСБ (Рис.1.4). При механизированной сборке краевые поля ПП должны быть не менее 5мм. Значения краевых полей x₁, x₂ зависят от типа корпуса ИЭТ, толщины ПП и метода установки.

Краевые поля y₁, y₂ определяются установочными размера­ми выбранных элементов электрического монтажа модулей и конструк­тивных элементов контроля, а также типоразмерами корпусов уста­навливаемых ИЭТ.

Краевое поле y₁ на ПП предназначено для установки элект­рического соединителя; его размеры зависят от установочных раз­меров электрического соединителя и типоразмера корпуса элемент­ной базы. Краевое поле y₂, предназначенное для установки на ПП элементов контроля, ручек, съемников и т.п., может иметь значения 10-15мм.

Трассировка представляет собой процесс проклад­ки печатных проводников на основании платы. Трассировка является сложной многокритериальной и трудоемкой задачей, эффективно ре­шаемой с помощью ЭВМ. В настоящее время для трассировки печатных соединений используются канальные, волновые и лучевые алгоритмы. Канальные алгоритмы целесообразно применять также при неавтома­тизированном проектировании ПП с небольшим количеством однотип­ных элементов (порядка 20) и средней связности схемы не более 100 цепей. Методика машинной трассировки ПП на основе волнового алгоритма изложена в разработке [4].

Расчет элементов проводящего рисунка ПП проводится с учетом конструкции, технологии изго­товления и класса точности проектируемой платы. Этот расчет включает задачи по определению: диаметров монтажных отверстий и контактных площадок; ширины проводников; расстояний между эле­ментами печатного монтажа; расстояний, необходимых для проклад­ки п-го количества проводников между другими элементами платы. Методика расчета на ЭВМ элементов проводящего рисунка ПП рас­смотрена в разработке [4].