книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры
..pdf3. Конструирование элементов, узлов иустройств электронной аппаратуры
Для правильной установки МС на плату корпуса имеют ориентир (ключ), расположенный в зоне первого вывода (выводы нумеруются слева направо или по часовой стрелке со стороны расположения выводов). Ключ делается визуальным в виде металлизированной метки, выемки или паза в корпусе, выступа на выводе и пр. В поперечном сечении выводы корпусов имеют круглую, квадратную или прямоугольную форму. Шаг между выво дами составляет 0,625; 1,0; 1,25; 1,7 и 2,5 мм.
Типы корпусов микросхем подразделяются на типоразмеры, каждому из которых присваивается шифр, обозначающий тип корпуса и двузначное число порядкового номера типоразмера. Затем через точку указывается ко личество выводов корпуса. Например, корпус с 48 выводами и условным обозначением 4113.48— 1 соответствует корпусу четвертого типа, 41-му подтипу с порядковым номером 13. Последняя цифра условного обозначе ния — порядковый регистрационный номер. Для МС в экспортном испол нении вместо регистрационного номера вводится латинская буква Е.
Каждый тип корпуса имеет достоинства и недостатки. Корпус с пла нарными выводами для установки и монтажа требует на печатной плате почти вдвое больше площади, чем тех же размеров корпус, но с ортогональ ным расположением выводов. Однако установка таких корпусов возможна с двух сторон платы. Жесткие штыревые выводы с ортогональной ориента цией относительно плоскости основания позволяют устанавливать микро схемы на плату без дополнительной поддержки даже при жестких вибраци-. онных и ударных нагрузках. При совместной установке микросхем и ЭРЭ для упрощения монтажных работ следует рекомендовать корпуса со штыре выми выводами. Пластмассовые корпуса дешевы, обеспечивают хорошую защиту от механических воздействий, но хуже других типов корпусов за щищают от климатических воздействий, перегрева.
3.4. Микросборки
Наивысшая плотность компоновки ЭА имеет место при использова нии бескорпусных компонентов. Однако установка и монтаж последних не посредственно на печатной плате не обеспечивает высокой плотности ком поновки из-за низкой разрешающей способности монтажа (на сегодняшний день возможности печатного монтажа практически исчерпаны). Введение в конструкцию промежуточного элемента — подложки — устранит этот не достаток.
Бескорпусные активные компоненты фиксируются клеем на подлож ке, на которой методом тонко- или толстопленочной технологии выполня ются проводники, контактные площадки цепей входа и выхода, пленочные
62
3.4. Микросборки
пассивные компоненты. Подобные конструкции называют микросборками. Фактически микросборки представляют собой бескорпусные гибридные МС индивидуального применения. Интегральные микросхемы микросборок не обязательно должны быть согласованы по входу и выходу. Пассивная часть схемы микросборки обеспечит необходимую согласованность. По техноло гии производства микросборки не отличаются от гибридных микросхем, а по функциональной сложности и степени интеграции соответствуют БИС. В отличие от универсальных БИС, используемых в разнообразной аппаратуре, микросборки разрабатывают под конкретную аппаратуру для получения вы соких показателей ее микроминиатюризации, уменьшения потерь полезного объема аппаратуры. Хотя разрешающая способность толстопленочной тех нологии ниже тонкопленочной, в ней сравнительно легко удается реализо вать многослойные конструкции, повысить плотность компоновки.
Высокая насыщенность монтажа достигается использованием новых материалов и увеличением слоев коммутации. Материалом подложек мик росборок могут быть некоторые виды стекол и керамики. Легкость получе ния гладких поверхностей и дешивизна являются основными преимущест вами стекол. Однако низкая теплопроводность, препятствующая рассеива нию больших мощностей, хрупкость, трудность получения сложных форм подложек ограничивает их применение. Керамику отличает большая меха ническая прочность, лучшая теплопроводность, хорошая химическая стой кость, но и повышенная стоимость и относительно грубая поверхность.
В качестве материалов подложек используется ситалл (материал на основе стекла), поликор (керамика на основе окиси алюминия), гибкие полиимидные пленки. Размеры ситалловых подложек обычно не превышают 48x60 мм, поликоровых — 24x30 мм.
Для увеличения механической жесткости и тепловой стойкости гибкие пленки чаще всего фиксируют на пластине из алюминиевого сплава. Макси мальные размеры таких подложек составляют 100x100 мм, плотность разводки 5 линий/мм (минимальные ширина и зазоры между проводниками по 0,1 мм), шаг внутренних контактных площадок 0,3.. .0,5 мм, внешних — 0,625 мм.
3.5. Модули первого уровня
При конструировании модулей первого уровня выполняются следую щие работы:
• изучение функциональных схем с целью выявления одинаковых по назначению подсхем и унификации их структуры в пределах конкретного изделия, что приводит к уменьшению многообразия различных подсхем и, следовательно, номенклатуры различных типов ТЭЗ;
63
3.Конструирование элементов, узлов и устройств электронной аппаратуры
•выбор серии микросхем, корпусов микросхем, дискретных ЭРЭ;
•выбор единого максимально допустимого числа выводов соедините ля для всех типов модулей (за основу принимают число внешних связей наиболее повторяющегося узла в наборе узлов изделия с учетом цепей пи тания и нулевого потенциала и 5 ... 10 %-ного запаса контактов на возмож ную модификацию);
•определение длины и ширины печатной платы. Ш ирина платы, как правило, кратна или равна длине соединителя с учетом полей установки и закрепления платы в модуле второго уровня. Требования по быстродейст вию и количество устанавливаемых на плату компонентов влияют на ее длину;
•собственно конструирование печатной платы;
•выбор способов защиты модуля от перегрева и внешних воздействий.
Широкое распространение получила плоская компоновка модуля, когда компоненты схемы устанавливают в плоскости платы с одной или двух сто рон (рис. 2, 3 и 4 цветной вклейки). Для плоской компоновки характерна ма лая высота установки компонентов по сравнению с длиной и шириной платы. Простота выполнения монтажных работ, легкость доступа к компонентам и монтажу, улучшенный тепловой режим являются основными преимущества ми плоской компоновки. Если для внешней коммутации модуля вводится со единитель, то подобную конструкцию называют ТЭЗ (рис. 3.2). На печатную плату устанавливают микросхемы 4 и для исключения влияния на работу микросхем помех по электропитанию — развязывающие конденсаторы 5.
з |
А |
5 |
в
ffir
Рис. 3.2. Типовой элемент замены:
1 — лицевая панель; 2 — невыпадающий винт; 3 — печатная плата; 4 — мик росхема; 5 — развязывающий конденсатор; 6 — электрический соединитель
64
3.5. Модули первого уровня
Лицевая панель выполняет одновременно несколько функций. На ней располагают элементы индикации и управления, контрольные гнезда, ино гда электрические соединители, которые коммутируются с платой провод ным монтажом. На панели в резьбовое отверстие помещают невыпадающий винт 2, которым ТЭЗ жестко фиксируется на несущей конструкции модуля второго уровня, наносится адрес, позволяющий отличить ТЭЗ среди подоб ных в наборе, реализующем конструкцию ЭА, а также предотвратить непра вильную установку ТЭЗ. Несоответствие адреса установочного места в бло ке с адресом лицевой панели ТЭЗ указывает о неправильной его установке.
Лицевые панели совместно с монтажными панелями модулей высших уровней направляют охлаждающий аппаратуру воздух к теплонагруженным компонентам. Чтобы предотвратить утечку воздуха из установочных мест, где по каким-либо причинам ТЭЗ отсутствуют, вместо них устанавливают заглушки (только лицевые панели ТЭЗ). Панель и электрический соедини тель крепят к печатной плате винтовым или заклепочным соединением. В условиях жестких механических воздействий плату ТЭЗ устанавливают на рамку, что увеличивает жесткость конструкции.
При большом числе внешних цепей на ТЭЗ устанавливают несколько соединителей, располагающихся на одной или нескольких сторонах платы. В приведенной на рис. 3.3 конструкции ТЭЗ с двусторонним расположением соединителей стрелками показаны направления установки ТЭЗ в приборные соединители шасси блока, а затем кабельного соединителя, закрепленного на кронштейне, в приборный соединитель ТЭЗ.
___________ i____________
CD CD CD CD CD CD А |
■ Д |
|
+ |
||
£U CD CD CD CD CD |
|
|
Л Д Щ в I M M U |
Аддажд* л ц ц я |
|
CD CD CD CD CD CD |
|
CD CD CD CD CD CD
CD CD CD CD CD CD
CD CD CD CD CD CD 0
'Чин..... tmnnnnn IlllJIIIUUnnulJII
]—F |
|
пттп т гтлтп п пти |
чипптлииттг |
Рис. 3.3. ТЭЗ с тремя соединителями:
1 — ТЭЗ; 2 — кронштейн с кабельным соединителем; 3 — шасси блока
3 |
6721 |
65 |
3. Конструирование элементов, узлов и устройств электронной аппаратуры
Рис. 3.4. Коммутация модулей первого уровня:
а — прямое сочленение ТЭЗ; 6 — косвенное сочленение ТЭЗ; в,г,д — коммутация паяным соединением; 1 — печатная плата; 2 — вилочный печатный соединитель; 3 — вилка соединителя косвенного сочленения; 4 — розетка; 5 — провод; 6 — прижимная планка; 7— переходной штырек; 8— переходная колодка
В блоках транспортируемой аппаратуры печатные платы модулей, как правило, закреплены жестко на несущей конструкции. Модули первого уровня коммутируются между собой приборными соединителями печатного монтажа (рис. 3.4, а, б), непосредственной подпайкой проводов к монтаж ным отверстиям плат (рис. 3.4, в), с использованием переходных штырьков (рис. 3.4, г) и колодок (рис. 3.4, д) (на рисунках показан вид сбоку на печат ную плату).
Соединители обеспечивают наиболее быструю и легкую замену мо дулей и бывают прямого и косвенного сочленения. Вилка соединителя пря мого сочленения является частью печатной платы, на которой одним из из вестных методов выполнения рисунка печатного монтажа получают контакты соединителя (печатные ламели). Розетка соединителя прямого сочленения бывает открытого и закрытого исполнения. В розетках открытого исполне ния прорезь для установки печатной платы открыта с концов (отсюда по добное название), что позволяет устанавливать в нее различные по ширине платы. Розетки закрытого типа с концов ограничены торцевыми поверхно стями и служат для установки плат фиксированной ширины. Взаимная ори ентация модуля и розетки осуществляется перегородкой в розетке и пазом под эту перегородку в концевой части печатной платы. Фиксация модуля в розетке открытого исполнения производится за счет пружинящих контактов розетки, в розетке закрытого исполнения — еще и торцевыми поверхностя ми соединителя. Соединитель прямого сочленения разрабатывается под пла
66
3.6. Модули второго уровня
ту определенной толщины. Расстоя |
|
||
ние между соседними |
печатными |
|
|
ламелями выбирается из ряда: 1,25; |
|
||
2,5;3,75 и 5 мм. |
|
|
|
Надежная установка при встав |
Рис. 3.5. Концевая часть вилочного |
||
лении модуля и предотвращение от |
|||
слаивания печатных ламелей от пла |
печатного соединителя платы: |
||
1 — печатная ламель; 2 — диэлектрическое |
|||
ты обеспечивается некоторым заост |
|||
рением концевой части |
платы с |
основание |
|
|
ламелями (рис. 3.5). Малое омическое сопротивление и высокая износо стойкость контактной пары ламель— пружинящий контакт розетки при низ ких усилиях контактирования достигается покрытием медных поверхностей ламелей серебром, палладием, золотом, родием. Толщина покрытия варьи руется в пределах 3...50 мкм.
При конструировании печатных плат необходимо решать задачи:
•выбора проводниковых и изоляционных материалов, формы и раз меров 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.
3.6.Модули второго уровня
Кмодулям второго уровня относятся блоки различных видов. Конст рукция одноплатного бескаркасного настольного прибора со встроенным блоком питания приведена на рис. 3.6 и 3.7. Несущей конструкцией прибора является основание 2. Хотя размеры основания могут быть большими
(300 х 450 мм и более), его обычно изготовляют из тонкого листового мате риала, а для придания жесткости в углах конструкции задается определен ная форма.
Для закрепления модулей в основании прибора выполнены выдавки с отверстиями, в которые вставляют резьбовые втулки под винты.
Крышка б сдвигается, перемещаясь по вертикальным боковым стен кам детали 2. Это позволяет на крышке 6 располагать техническое описание прибора, электрические схемы, измерительные приборы. Для закрепления крышки на основании предусмотрены кронштейны 4, фиксируемые заклеп ками.
з* |
67 |
3. Конструирование элементов, узлов и устройств электронной аппаратуры
5 |
6 |
7 |
8 |
Рнс. 3.6. Прибор настольный бескар |
Рис. 3.7. Электромонтажная схема при |
касный: |
бора настольного бескаркасного: |
1 — лицевая панель; 2 — основание; 3 — |
/ — лицевая панель; 2 — основание; 3 — |
вентилятор; 4 — кронштейн; 5 — задняя |
вентилятор; 4 — провод; 5 — задняя панель; |
панель; 6 — крышка; 7— винт |
6 — блок питания; 7 — жгут; 8 — плата |
|
электроники |
На основание прибора устанавливают блок питания, плату операци онного устройства (электроники) и вентиляторы, обеспечивающие нормаль ный тепловой режим прибора.
На электромонтажной схеме (см. рис. 3.7) задняя и передняя панели развернуты относительно установочной плоскости основания на 90°. В кон струкцию введены: жгут сетевого напряжения, подводящий 220 В частотой 50 Гц к блоку питания и вентиляторам, жгут подвода постоянного напряже ния от блока питания к плате электроники и жгут сигнальных проводов.
В том случае, если максимальные размеры платы 8 каким-нибудь об разом ограничены, например, производственными возможностями или раз мерами основания прибора, то на плату электроники можно установить вме сте с компонентами схемы электрические соединители, в которые, в свою очередь, установить ТЭЗ с недостающими компонентами схемы прибора (рис. 3.8). Таким образом, объединительная плата, представленная на рис. 3.8, является модификацией платы электроники. В зарубежной литературе такие платы называют motherboard— материнской платой.
Может случиться, что схема, реализуемая на плате, потребует разме ров, которые не могут быть обеспечены современным производством. Тогда эта гипотетическая плата разбивается на несколько плат меньших размеров, объединяемых конструктивно в блоке монтажной панелью.
Возможные компоновочные формы блоков представлены на рис. 3.9. При одинаковых физических объемах блоков сферическая форма обеспечи вает минимальную длину линий связей. Однако форма ТЭЗ в виде полукру га не является технологичной. При конструировании блоков ЭА применяют
68
3.6. Модули второго уровня
Рис. 3.8. Объединительная (материнская) плата:
/ — микросхема; 2 — объединительная плата; 3 — ответный электрический соединитель ТЭЗ; 4 — ТЭЗ
Рис. 3.9. Компоновочные схемы блоков в виде параллелепипеда (а \ цилиндра (б), сферы (в):
1 — ТЭЗ; 2 — монтажная панель
стеллажный, этажерочный и книжный варианты конструкций в форме па раллелепипеда в негерметичном и герметичном исполнении.
Блоки стеллажного типа (рис. 3.10) компонуются из ТЭЗ, которые ус танавливаются в один или несколько рядов перпендикулярно монтажной панели. Основным конструктивным элементом блока является каркас 1 с монтажной панелью и соединителями 4. В зависимости от ориентации в пространстве монтажной панели существуют три разновидности компоно вочных схем блоков, приведенные на рис. 3.10.
Блоки с защитными кожухами и крышками являются самостоятель ными изделиями (приборами) и в таком виде эксплуатируются. Обычно на переднюю панель прибора настольного типа устанавливают элементы инди кации, измерительные узлы, элементы управления (кнопки, тумблеры и т. п.), 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
69
3. Конструирование элементов, узлов иустройств электронной аппаратуры
3 |
4 |
5 |
5
1
в
Рис. ЗЛО. Вертикальное поперечное (а), вертикальное продольное (в), горизон тальное (в) расположение монтажной панели блоков стеллажной конструкции:
1 — каркас; 2 — лицевая панель; 3 — монтажная панель; 4 — соединитель; 5 — ТЭЗ
для их замены. Если монтажная панель ориентирована горизонтально, то крышку и поддон прибора необходимо выполнять съемными, если верти кально — лицевую и заднюю панели нужно делать съемными или откидными.
При комплектации блоками рам и стоек шкафного типа в конструкции блоков не вводят кожухи или крышки. При значительной длине ТЭЗ (на пример, кассетной конструкции из нескольких плат) блок с вертикальным поперечным расположением монтажной панели (рис. 3.10, а) можно уста навливать непосредственно в стойку. Однако в современной аппаратуре длина одноплатных ТЭЗ редко превышает 200 мм, поэтому блоки данного типа следует устанавливать в промежуточный конструктивный элемент — раму, что позволит повысить плотность компоновки стоек.. Поскольку глу бина блока с вертикальным продольным расположением монтажной панели (рис. 3.10, б) зависит от количества установочных мест для ТЭЗ, то подоб ные блоки устанавливаются непосредственно в стойку, минуя раму.
Горизонтальное расположение монтажной панели (рис. 3.10, в) за трудняет охлаждение блоков естественной конвекцией, поэтому их обычно используют в приборах настольного типа с низкой плотностью компоновки, либо совместно с вентиляторами, направляющими потоки охлаждающего
70
3.6. Модули второго уровня
воздуха вдоль каналов, образованными рядами плат расположенных по со седству ТЭЗ.
Конструктивное исполнение блоков весьма разнообразно, но у всех блоков можно отметить обязательное наличие монтажной панели (шасси), каркаса, направляющих и элементов фиксации в модуле высшего уровня. Упростить проектирование, контроль, наладку аппаратуры, а также полу чить функционально законченные блоки высокой плотности компоновки возможно при разработке нескольких блоков конструкционной системы на разное число ТЭЗ. Для этого разрабатывают несколько типоразмеров основ ных базовых деталей блоков и, в первую очередь, монтажных панелей.
На монтажных панелях выделяют центральную и периферийную зо ны. В центральной зоне располагают ответные части соединителей ТЭЗ, на правляющие, в периферийной — колодки или соединители внешней комму тации, жгуты, узлы подвода напряжения питания и нулевого потенциала. Желательно ответные соединители ТЭЗ устанавливать на многослойную печатную плату. Однако практика конструирования показала, что получить все соединения печатным способом трудно из-за необходимости разработки плат с большим числом слоев, низкой разрешающей способности много слойного монтажа и несовершенства программ трассировки. В процессе от работки аппаратуры часто появляется необходимость во внесении измене ний, которые проще всего выполнить проводным монтажом. Поэтому при конструировании блоков кроме печатного используется монтаж одиночным проводом, свитой парой, жгутовой монтаж.
При монтаже блоков свитой парой около выходных контактов ответ ных частей каждого соединителя ТЭЗ необходимо иметь контакты заземле ния, к которым коммутируются нулевые провода свитых пар. Это можно выполнить, если землю реализовать в виде сплошного фольгированного слоя односторонней печатной платы. При монтаже блоков одиночными проводами и свитыми парами необходимость в поддержке монтажа не воз никает. При использовании жгутов на монтажной панели блока предусмат ривают пазы или углубления, в которых жгуты размещают и закрепляют.
Направляющие вводятся в конструкции для быстрого сочленения ТЭЗ с ответными частями соединителей без заклинивания, зажима или перекоса, поддержки платы ТЭЗ при ударах и вибрациях, создания пути для кондуктивного отвода теплоты. Для входа и перемещения платы в направляющих по краям платы предусматривают свободную от печатного монтажа зону шириной 2— 3 мм. Длина направляющих зависит от длины платы ТЭЗ. Раз личают коллективные направляющие, предназначенные для установки од новременно нескольких ТЭЗ (рис. 3.11, а), и индивидуальные (рис. 3.11,6).
В качестве конструкционных материалов направляющих используется пластмасса и металл. Тепловое сопротивление Rr металлических направ-
71