Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Назаров_Конструирование_РЭС

Таблица 3.2

Окончание табл. 3

сти конструирования унифицированных базовых несущих конструкций (БНК), а также применения наиболее употребительной разъемной компоновки блоков.

Отличительным признаком конструктива цифровых РЭС на печатных платах является наличие корпусированных стандартных ИС, размещенных на печатной плате.

В процессе конструирования цифровой ФЯ решают следующие основные задачи:

выбор варианта конструкции ячейки; расчет типоразмера печатной платы;

выбор типа электрического соединителя, элементов крепления, фиксации и контроля;

выбор метода изготовления печатной платы; обеспечение нормального теплового режима;

защиту конструкции ячейки от влияния факторов внешней среды. Выбор варианта конструкции ячейки зависит от требований ТЗ на

блок, в котором она используется, и главным образом от назначения и условий эксплуатации устройства. В зависимости от заданной формы и габаритов блока на первых стадиях разработки могут быть ориентировочно установлены размеры печатной платы ФЯ и их число в блоке. По заданной электрической схеме выбирают тип корпуса ИС и рассчитывают нагрузку на печатную плату, а далее проводят расчет вибропрочности ФЯ (разд. 4.3). Исходя из полученных результатов расчета и выбранного типа корпуса ИС осуществляют выбор варианта конструкции ФЯ (с рамкой, без рамки, одноили двухстороннее расположение элементов).

Расчет типоразмера печатной платы проводят по количеству ИС в ячейке, выбранному типу корпуса, числу задействованных от него выводов, толщине печатной платы и подбирают по ГОСТ 10317-79 приемлемые размеры печатной платы (см. разд. 9.1).

Выбор типа электрического соединителя ФЯ зависит от принятой компоновки их в блок (разъемной или книжной). При разъемной компоновке тип соединителя выбирают согласно правилам, изложенным в разд. 7. В случае книжной конструкции применяют гибкие шлейфы либо гибкие кабели. Выбор элементов фиксации и контроля проводят по рекомендациям ОСТ 4Г. 0.010.009 — ред. 3-76. Метод изготовления печатной платы выбирают по количеству возможно размещаемых корпусов ИС на выбранной ее площади и по разрешающей способности печати.

Задача обеспечения теплового режима ФЯ решается путем теплового расчета в комплексе всего блока, однако существуют и некоторые общие установки по размещению элементов на печатной плате и самих ячеек в блоке:

64

наиболее теплонагруженные навесные ЭРЭ необходимо располагать по периметру печатной платы;

при применении ИС с высоким тепловыделением под их корпусами необходимо обеспечивать наличие теплоотводящих шин, соединенных в общий коллектор тепла;

вертикальное расположение самих ФЯ в блоке всегда предпочтительнее горизонтального.

Защита конструкции ФЯ от влияния факторов внешней среды, особенно влаги, требует обеспечения гидрофобности поверхности печатной платы и самих компонентов. Наличие влаги с диэлектрической проницаемостью ε = 80 может резко увеличить паразитную погонную емкость между печатными проводниками, а следовательно, ухудшить быстродействие, и при большом количестве влаги создать короткое замыкание между ними. Поэтому чаще всего ФЯ покрывают полиуретановыми лаками с хорошими высокочастотными свойствами ( ε = =2,2 и tgδ = 2 • 10 -4 ), например УР-231. При сочетании действия влаги и повышенной температуры рекомендуют применение кремнийорганиче-

ских лаков (ε =3,5, tgδ=10-3 , tmax = + 200° С, рабочие частоты 106 ...1010 Гц),

например КО-921.

Основной задачей при конструировании цифрового блока является выбор оптимальной формы блока (разд. 3.8) при выбранной его компоновке. Для блоков цифровых РЭС III поколения наиболее характерными компоновочными схемами являются разъемная, т.е. с применением разъемных соединителей на печатных платах, и книжная, в которой ФЯ могут разворачиваться относительно оси вращения («переплета») наподобие страниц книги.

При разъемной компоновке конструкции ответные части разъемов укрепляют рядами на общей соединительной плате. Соединения ячеек с межблочными разъемами, укрепленными на одной из стенок корпуса, осуществляют от выводов разъемов либо печатными проводниками, либо проволочными проводниками, связанными в жгуты. Ремонт и проверка ФЯ проводится в вынутом (выключенном) состоянии или во включенном, но с помощью переходника — дополнительной монтажной платы, на верхней и нижней сторонах которой размещены части такого же разъема, соединенные печатными проводниками. Книжная компоновка блоков более компактна и позволяет осуществлять ремонт и проверку ячеек во включенном состоянии при их развороте относительно оси вращения. Однако замена неисправной и неремонтируемой ячейки затруднена, так как монтаж между яче'йками осуществлен отрезками гибких шлейфов или гибких кабелей, печатные проводники или проволочные выводы которых приварены или припаяны к вывод-

. 65

ним контактным площадкам и штырям печатных плат ячеек, а сама цепочка шарнирных соединений, образующая основу «переплета» книги, расклепана, и поэтому нужна сверловка заклепок.

На рис. 3.1 представлена конструкция ФЯ блока разъемного типа с разъемным соединителем типа ГРПМ. Для повышения вибропрочности

Рис. 3.1. Конструкция ФЯ блока разъемного типа:

j — штырь-ловитель; 2 — развальцованная заклепка; 3 — вилка соединителя ГРПМ; 4 — обечайка; 5 — печатная плата; б — навесной ЭРЭ; 7 — корпусированная ИС; 8 — невыпадающий винт; 9 — зона установки схемных элементов

печатная многослойная плата обрамлена алюминиевой рамкой, в нижней части которой укреплены фиксаторы положения (штыри-ловите- ли), а в верхней части — элементы крепления ФЯ в каркасе блока (невыпадающие винты). Верхняя планка рамки имеет два отверстия для вынимания ячейки из блока с помощью крючка. Печатная плата на буртиках рамки развальцовывается пустотелыми заклепками (латунными пистонами). Компоновка микросхем в корпусах II типа (пластмассовые со штырьевыми выводами за пределами проекции тела корпуса) однозначно определяет одностороннюю компоновку компонентов и рекомендуемый вид пайки в массовом производстве — пайку волной припоя. На рис. 3.2 показана конструкция блока разъемного типа.

66

Рис. 3.2. Конструкция блока разъемного типа: 1 — соединительная планка крепления;

2 — передняя стенка;

3 — функциональная ячейка;

4 — монтажно-распределительная коробка;

5 — каркас-поддон;

6 — соединитель ГРПМ;

7 — общая трассировочная плата

(кроссплата)

Рис. 3.3. Конструкция ФЯ блока книжного типа:

; — развальцованная заклепка; 2 —корпусированная ИС;

3 — печатная плата; 4 — обечайка; 5 — отрезок гибкого шлейфа; 6 — колодка гибкого шлейфа; 7 — элемент шарнирного крепления;8 — упорная втулка

На рис. 3.3 дана конструкция ФЯ блока книжного типа, а на рис. 3.4 конструкция самого блока из этих ячеек с вертикальными осями раскрытия двух пакетов ячеек. Особенностью конструкции ячейки является наличие двух печатных плат с двухсторонним расположением микросхем в корпусе IV типа (металлокерамический с планарными выводами) и рамки-обечайки с выступами по углам. Метод пайки — групповой, общим паяльником-прижимом. Соединения между платами — отрезки гибких шлейфов, крепление плат на рамке — развальцовкой пустотелыми заклепками, выводные соединители — гибкие шлейфы с пластмассовыми накладками на концах, в которых запрессованы штыривыводы под металлизированные отверстия на платах. Размер платы 170x240 мм снижает собственную частоту ячейки до 150...200 Гц, и вибропрочность, требуемая для авиационной аппаратуры, в этом случае не обеспечивается. Поэтому для увеличения собственной частоты ячейки в центре между ФЯ укреплена упорная втулка, уменьшающая возможные прогибы.

Рис. 3.4. Конструкция блока книжного типа Ш поколения:

1 — передняя стенка; 2 — средняя стенка (каркас); 3 — кроссплата; 4 — гибкий шлейф; 5 — задняя стенка; 6 — функциональная ячейка

68

3.3. Конструирование цифровых функциональных ячеек и блоков на бескорпусных микросборках

Главной особенностью конструкций цифровых РЭС на бескорпусных микросборках является возможность уменьшения объема в пять раз и массы в три раза по сравнению с конструкциями этого уровня на корпусированных микросхемах. Одновременно повышается и надежность изделий за счет уменьшения числа паяных соединений и увеличения интеграции микросборок. Вместе с тем появляется ряд специфических существенных особенностей и требований к новым конструкциям. Рассмотрим их более подробно.

Значительное уменьшение объема в цифровых ФЯ с одновременным увеличением быстродействия их работы, а следовательно, и увеличением потребляемой мощности приводит к резкому возрастанию тепловой напряженности в них и нарушению нормального теплового режима, что вызывает отказы в работе. Поэтому первой специфической чертой новых конструкций ФЯ цифрового типа является наличие в них мощных и эффективных теплоотводов. Такими теплоотводами являются металлические основания под бескорпусными МСБ и, в частности, металлические рамки. Эти рамки, как правило, выполняют из алюминиевых сплавов АМг, АМц, В95, имеющих высокие значения коэффициентов теплопроводности (160...180 Вт/(м·К)). Вторая специфическая особенность этих конструкций заключается в том, что размещаемые на металлических рамках бескорпусные МСБ (порядка восьми и более штук) имеют значительное количество сигнальных входов и выходов, а также шин питания и земли (порядка 24...30 с одной МСБ), что приводит к появлению в конструкции большого числа тонких (d = 30...50 мкм) золотых проволочек — соединительных проводников, с одной стороны приваренных (припаяных) к внешним контактным площадкам МСБ, а с другой — к «язычку» металлизированных отверстий печатной платы. При механических воздействиях, несмотря на небольшой прогиб этих проволочек (длина проволочки l ≤ 100 d), возможны отрывы в местах приварки (пайки), т.е. внезапные отказы в соединениях и сбои во всей ячейке. Кроме того, увеличение интеграции микросборок, а следовательно, и площади самих подложек при постоянстве их толщины, опять-таки создает опасность их растрескивания от ударов и вибраций. Чтобы выполнить требования защиты конструкции от механических резонансов, усталостных напряжений, линейных перегрузок, в конструкциях ячеек IV поколения используют те же металлические рамки, но характерной чертой их профиля является наличие ребер жесткости и окон, а сами МСБ и печатные платы клеят к этим рамкам антивибраци-

69

онными компаундами типа КТ-102 или «Эластосил» для уменьшения коэффициентов динамичности рамок. Наконец, требование уменьшения массы заставляет делать эти рамки более ажурными.

Таким образом, спецификой конструкции ФЯ IV поколения цифрового типа является наличие легких и прочных металлических рамок, гарантирующих достаточный теплоотвод, вибро- и ударопрочность ячеек. Обычно вибро- и ударопрочность обеспечиваются при выполнении допустимых амплитуды колебаний элементов конструкции не более 0,3 мм и виброскорости не более 800 мм/ с. Диапазон же частот вибраций широк (от 30...50 Гц до 0,5...5 кГц) при возможных перегрузках до 30...40 единиц. Допустимая удельная мощность рассеяния в ФЯ может достигать величины 60 Вт/дм3 .

На рис. 3.5 показана конструкция металлической рамки, а на рис. 3.6 представлена схема установки и монтажа бескорпусных МСБ на ней.

Пример 3.2. Рассчитать геометрические размеры рамки, представленной на рис. 3.5. В рамке на ее вертикально расположенных планках

ренних ребер и нижнего ребра 2 мм. Это отличие объясняется еще и тем, что боковые и верхние ребра должны иметь буртик порядка 1...1,5 мм для приклейки печатной платы по периметру ребер снизу. Ширина планки 3 несколько меньше ширины МСБ и равна 21 мм. Ширина окон 4 в рамке (между ребрами и планками) выбирается из следующих размеров (см. рис. 3.6): расстояния от ребра и планки до «язычка» и металлизированного отверстия (слева и справа) равны 2,5 мм, длина «язычка» (для подпайки или приварки проволочного вывода) — 1 мм, диаметр окантовки металлизированного отверстия — 1,2 мм, ито-

Для расчета длины рамки примем, что зазоры l 1 между МСБ на

планке и между ними и горизонтальными ребрами равны 1,5 мм, ширина окна l 2 для навесных электрорадиоэлементов и ширина зоны / 3 для

межъячеечного монтажа — по 10 мм, размеры ребер: l4 = 3 мм — верхнее ребро и l 5 = 2 мм — среднее и нижнее ребра, уже оговорены. Тогда длина рамки (при длине МСБ / = 30 мм)

b= l4+ 2l + 3 l 1 +2 l 5 + 2 l 2 = 3 + 2 -30+ 3-1,5+2 -2 + 2 -10 = 91 мм.

70

Рис. 3.6. Схема установки и монтажа бескорпусных МСБ на металлической рамке:

/ — ребро рамки; 2 — печатная плата; 3 — соединительный проводник; 4 — бескорпусная ИС; 5 — планка; 6 — подложка; 7 — металлизированное отверстие

Высота рамки

hр=hМСБ +hпл + hПП + hкл + hзаз