2. Конструкторское проектирование

2.1. Особенности конструирования

СОВРЕМЕННЫХ ЭС

Конструктивная иерархия, вытекающая из системного похода к проектированию ЭС, рассмотрена в учебном пособии [3], с. 178...183. Следует еще раз изучить этот материал, так как он является определяющим для понимания современного подхода к проектированию ЭС.

Кроме этого, необходимо еще раз просмотреть материал, связанный с математическими основами конструирования ЭС [3].

Тенденции развития ЭС. Процесс развития ЭС обусловлен требова-ниями постоянного усложнения выполняемых функциональных задач и расши-рением областей применения. При этом функциональная сложность ЭС за каж-дое пятилетие в последние 50 лет увеличивается примерно в 10 раз. Функ-циональная сложность ЭС определяет аппаратурную сложность и обычно оценивается числом схемных или активных элементов. С увеличением последних возникает проблема, как разрешить противоречия в цепочке взаимодействующих и часто противоречивых факторов: сложность — надежность — масса (объем) — энергопотребление — стоимость — сроки разработки. Решение этой проблемы, как показывает весь процесс развития ЭС, в первую очередь возможно и должно заключаться в созда­нии и совершенствовании новой элементной базы, новых методов конструирования и формообразования, новой технологии изготов­ления, что определяет смену «поколений» ЭС.

В настоящее время различают четыре ярко выраженных поко­ления ЭС. Различные поколения аппаратуры имеют свои конст­руктивные и техноло-гические особенности. В блоках аппаратуры первого поколения основу конст-рукции составляли металлические панели и шасси, в которых наряду с электровакуумными прибора­ми крепились резисторы, конденсаторы, дроссели, трансформато­ры. Монтаж осуществлялся гибкими проводами. Для внутреннего монтажа и в качестве несущих конструкций в аппаратуре второго поколения начали применяться односторонние и двусторонние пе­чатные платы, а в аппаратуре третьего и четвертого поколений — многослойные печатные платы и гибкие печатные кабели.

Частично в аппаратуре второго поколения и в большей степе­ни в аппаратуре третьего и четвертого поколений возникла тен­денция выделения функциональных узлов электронной схемы в са­мостоятельные конструкции. В аппаратуре второго поколения та­ковыми являются унифицированные функциональные узлы и микромодули, в аппаратуре третьего и четвертого поколений — ин­тегральные микросхемы (ИС) и микросборки (МСБ).

Переход к каждой новой ступени технического уровня ЭС неразрывно связан с изменением арсенала технических средств, находящихся в распоряжении разработчика. Это в равной мере относится к элементам конструкции, технологии изготовления ап­паратуры, элементам схемы, схемным решениям и методам их рас­чета. Одновременно происходит перестройка психологии разработ­чика, над которым довлеет опыт создания и эксплуатации аппа­ратуры предыдущего поколения.

Применение ИС и МСБ в ЭС привело к появлению ряда осо­бенностей в подходе к проектированию электронных устройств. Одной из основных особенностей проектирования микроэлектрон­ной аппаратуры (МЭС) является стандартизация (см. [3]) схемных реше­ний и конструкций. Это избавляет разработчика от необходимости расчета элементарных функциональных узлов и позволяет перейти к функционально-модульному методу проектирования, зародивше­муся еще в недрах аппаратуры второго поколения. Стандартиза­ция конструкций ИС и МСБ дает возможность получить оптималь­ные габариты аппаратуры, повысить ее надежность и удешевить производство за счет автоматизации и механизации сборочно-монтажных работ при изготовлении. Однако при функционально-мо­дульном проектировании остро встает вопрос электрического, кон­структивного и технологического согласования ИС различных ком­плексов. Искусство разработчика теперь проявляется в выборе такого сочетания, которое обеспечивает совместную безотказную работу, оптимальную компоновку в конструкции и возможность ав­томатизированного производства.

Увеличение плотности печатного монтажа МЭС является при­чиной того, что в новом качестве встает вопрос защиты от наводок и помех. Эта проблема решается схемотехническими и конст­рукционными средствами: применением ИС с наилучшей помехоус­тойчивостью соответствующей организацией схемы; применением согласующих узлов или увеличением амплитуды сигнала на уча­стках с геометрически длинными связями, соответствующими рас­положением связей на подложках микросборок и печатных пла­тах. Это обстоятельство требует полного взаимопонимания и пе­ресмотра традиционных форм взаимодействия схемотехнических, конструкторских и технологических служб.

Существенно изменилось и отношение к технологической подго­товке производства МЭС. Требования к точности и производитель­ности оборудования для сборочно-монтажных и контрольно-наст­роечных работ возросли настолько, что выполнение их без приме­нения соответствующего оборудования и контрольно-измеритель­ной аппаратуры (КИА) практически невозможно. Это оборудова­ние по сложности и стоимости подчас не уступает изготавливае­мой аппаратуре. Поэтому при проектировании аппаратуры осо­бенно важно учитывать интересы производства, т. е. возможность применения стандартного технологического оборудования. Это предъявляет дополнительные требования к квалификации конструк­торов и разработчиков микроэлектронной аппаратуры.

Из изложенного видно, что при проектировании ЭС на ИС и МСБ необходимо принимать во внимание большое количество раз­нообразных факторов. Вместе с возросшей функциональной слож­ностью аппаратуры это обстоятельство чрезвычайно усложняет процесс проектирования. Поэтому проектирование МЭС в настоя­щее время не мыслится без автоматизации рабочего процесса по­средством использования ЭВМ. В первую очередь автоматизиру­ются наиболее трудоемкие операции конструирования, связанные с переработкой больших массивов информации: размещение эле­ментов на печатных платах (или коммутационных подложках), разводка печатных или пленочных соединений, составление отдель­ных видов технической докумен-тации.

Развитие сложных радиоэлектронных устройств с применени­ем ИС и МСБ, значительные затраты на этапах проектирования и изготовления МЭС вызвали необходимость осуществления мак­симальной типизации конструк-торских решений при создании ЭС. В этих условиях особо важное значение приобретают вопро­сы стандартизации и унификации конструкций аппаратуры, ус­пешное решение которых позволит резко сократить затраты на ее проек-тирование, производство и эксплуатацию.

Унификация и стандартизация приобретают особенно важное значение в условиях разработки аппаратуры разнообразного так­тико-технического назна-чения, которая производится мелкими сериями.

В этом случае проведение унификации и стандартизации как внутри-видовой, так и межвидовой в сочетании с внедрением базовых конструкций позволит не только значительно сократить трудоемкость и стоимость разработок, но и перейти с мелкосерий­ного производства на крупносерийное. При этом существенно уве­личивается количество однотипных модулей аппаратуры, облегча­ется освоение ее на серийном заводе, а значит, уменьшается и стоимость ее изготовления. Наибольший эффект унификация и стандартизация может дать на этапах разработки, производства и эксплуатации только при комплексном подходе к решению вопро­са, т. е. при внедрении модульного принципа построения и осуществ­лении унификации и стандар-тизации как схемных, так и конструкторско-технологических решений модулей аппаратуры, что поз­воляет максимально использовать унифицированные модули для создания различных устройств аппаратуры.

Эффективным является создание базовых конструкций и при­менение модульного принципа компоновки аппаратуры из стан­дартных, функ-ционально-законченных модулей, вплоть до аппара­турного уровня. Создание базовых конструкций в сочетании с мо­дульным принципом компоновки аппаратуры обеспечивает возмож­ность быстрее и дешевле разрабатывать для различных заказчи­ков аппаратуру аналогичного назначения.

Унификация конструкций позволяет: сократить сроки проекти­рования новых изделий благодаря использованию готовых прове­ренных конструк-торско-технологических решений; сократить сроки и снизить затраты на под-готовку производства новых изделий, при­меняя типовые технологические процессы производства и группо­вые методы обработки; снизить затраты на производство изделий (уменьшить себестоимость), увеличив серийность изделий и, как следствие, повысив уровень механизации и автоматизации произ­водственных процессов; повысить качество изделий за счет уни­фицированных составных частей, качество которых обеспечивает­ся наличием проверенных в производстве методов и средств конт­роля; снизить затраты на техническое обслуживание и ремонт из­делий благодаря возможности замены вышедших из строя унифи­цированных деталей и узлов новыми без дополнительной подгонки и с минимальными регулировкой и подстройкой; организовать спе­циализированные производства унифицированных деталей и сбо­рочных единиц.

Основным направлением технического прогресса в конструиро­вании аппаратуры является комплексная миниатюризация, под ко­торой понимается процесс миниатюризации всех без исключения ее функциональных узлов и устройств. При этом наряду с умень­шением массы и объема обеспечивается улучшение эксплуатаци­онных и экономических показателей аппаратуры. Комплексная ми­ниатюризация обеспечивает возможность создания высоко-техно­логичных конструкций и, как следствие, повышение эффективности производства аппаратуры.

Понимая под технологичностью комплекс взаимосвязанных конструк-торских и технологических факторов, обеспечивающих сокра­щение сроков разработки новых видов аппаратуры, сроков ее про­мышленного освоения и обеспечивающих серийное производство, мож­но выделить следующие основные факторы, определяющие уровень технологичности аппаратуры:

-унификация схемотехнических и конструкторско-технологических решений, обеспечивающих автомати­зацию проектирования, изготовления и контроля узлов и блоков аппаратуры; унификация и стандартизация коммутационных и ус­тановочных деталей, электрорадиоэлементов (ЭРЭ), ИС, МСБ, пе­чатных плат, узлов, блоков и шкафов;

- типизация технологических процессов изготовления и контроля деталей, ЭРЭ, МСБ, печатных плат, ячеек и блоков, обеспечивающая механизацию и автомати­зацию их производства; система взаимодействия разработчиков, изготовителей и технологических институтов на всех этапах созда­ния аппаратуры и оценки ее технологичности.

Разработка и внедрение унифицированных конструкций явля­ются одни-ми из главных направлений повышения технологичности аппаратуры. Приме-нение типовых конструкций существенно повы­шает технологичность и обеспечивает возможность использования типовых технологических процессов и высоко-производительного оборудования для изготовления аппаратуры. Специфической осо­бенностью аппаратуры третьего и особенно четвертого поколений являются взаимосвязь и взаимозависимость конструкций и техно­логии производства, возможность и необходимость создания типо­вых конструкторско-технологических решений.

Разработка типовых методов и унификация конструкторско–техно-логических решений осуществляются по всем конструктивным уровням в области: микросборок; печатных плат; ячеек, блоков и несущих конструкций аппаратуры различного назначения.

Анализ современного состояния ЭС различного назначения, а также перспектив их развития показывает, что с конструктивной точки зрения особенно важными являются следующие направле­ния: традиционное — конструирование и компоновка МЭС с ис­пользованием корпусированных ИС и МСБ на печатных платах; развивающееся - компоновка ЭС с использованием БИС и бес­корпусных МСБ; перспективное — конструирование МЭС с ис­пользованием больших (БИС) и сверхбольших интегральных сборок (СБИС), в том числе матричных, в кристаллодержателях или на лентах-носителях на крупноформатных под­ложках — основаниях.

Принципы компоновки ЭС на микросхемах и микросборках. Модульный метод компоновки. Перед изучением этого материала следует повторить материал о компоновке и методах компоновки, изложенный в [3]. В процессе создания МЭС решение вопросов, связанных с вы­бором принципов компоновки, является основной задачей разра­ботки конструкции.

Под компоновкой обычно понимают взаим­ную ориентацию изделий относительно друг друга в ограниченном пространстве. Установление основных геометрических форм и расстояний между ними отражает компоновочная схема. Компоновоч­ная схема может быть выполнена в виде сборочного чертежа либо (упрощенно) в виде эскизного рисунка. Для ЭС компоновочная схема отражает характерные особенности той или иной конструк­ции или ее варианта.

При разработке ЭС часто говорят о модульном методе конст­руирования (или компоновки), понимая под этим совершенно раз­ное, поэтому и бытуют такие термины, как «модульный», «функ­ционально-модульный», «модульно-ячеечный», только путающие читателя [7]. Прежде, чем перейти к дальнейшему освоению материала, следует вспомнить функционально- узловой метод конструирования [3]. В широком смысле слова термин «мо­дульный метод» надо понимать как совокупность принципов про­ектирования и конструирования, в основе которых заложено одно общее требование: так расчленить электрическую схему изделия на функциональные устройства (ФУ), функциональные ячейки (ФЯ) и блоки, чтобы они были как функционально, так и конст­руктивно законченными и чтобы при этом их конструктивные размеры либо повторяли друг друга, либо были кратны одним базо­вым размерам, т. е. были унифицированными.

В размерном отношении модульная компоновка получается пу­тем членения объема взаимно параллельными и перпендикуляр­ными плоскостями. Расстояние между смежными плоскостями в каждом из трех измерений для устройства в целом и для отдель­ных его частей принимается равным или кратным размеру основ­ного модуля М, как показано на рис. 33. Модульная компоновка позволяет «сворачивать» и «вытягивать», «разрезать» и «разно­сить» в пространстве электрические схемы отдельных модулей в самых разнообразных вариантах и пропорциях. Общий признак модульной компоновки — прямоугольность объема и его частей упрощает стандар-тизацию модулей, позволяет установить законо­мерные соотношения и типовые сопряжения между целыми и от­дельными его частями. Таким образом, модульный метод компо­новки можно считать одним из общих принципов конструирования ЭС.

Рис. 33. Геометрическая модульность конструкций

К частным принципам компоновки [7] следует отнести принципы пространственной (объемной) и поверхностной (планарной) ком­поновки устройств и их частей. Первый был реализован в так на­зываемом блочном методе компоновки устройств, характерном для ЭС первого поколения. Ос­новные его черты, достоинства и недостатки достаточно известны. Главное, что при этом полностью отсутствовала возможность авто­матизации констру-ирования и унификации изделий. Второй принцип, заключающийся в функ­ционально-узловом методе ком­поновки, характерен для конст­рукций ЭС второго и третьего поколений. Основная его особенность состоит в том, что практиче­ски все элементы конструкций оказалось возможным размещать на одной плоскости при соизмеримых высотах комплектующих из­делий. При этом стало легче обеспечивать требования унификации и стандартизации модулей и автоматизировать процессы проекти­рования, конструирования и изготовления устройств.

Однако в аппаратуре второго поколения большое число эле­ментов самой разнообразной формы препятствовало автоматиза­ции компоновочных работ. Криволинейная форма большинства элементов плохо согласовывалась с прямоугольной формой по­верхности монтажной плоскости модуля. Разно-образие форм эле­ментов не позволяло эффективно использовать поверхность мон­тажной плоскости модуля. Существенным недостатком компонов­ки модулей аппаратуры второго поколения являлось отсутствие регламентации ориентирования элементов на поверхности монтаж­ной плоскости модуля. Введению такой регламентации препятст­вовало разнообразие форм элементов модуля.

С появлением аппаратуры третьего поколения при разработке корпусов ИС в основном отказались от использования элементов цилиндрической формы, приняв за основу прямоугольную; проек­ции всех элементов модуля стали прямоугольными, что способст­вовало улучшению компоновки ячеек. Существенным шагом в этом направлении явилось введение координатной сетки, привязанной к сторонам печатной платы. Формулировка требования установки одного из выводов элементов в точке пересечения координатной сетки стала первым шагом на пути автоматизации компоновки МЭС.

Спецификой компоновки ячеек с применением ИС явилось раз­деление печатной платы модуля на соответствующие конструктив­ные зоны (рис. 34). При этом компоновка элементов ячейки (за исключением разъема) регламен-тировалась только монтажной зоной. Технологическая зона, состоящая из четырех краевых полей вокруг монтажной зоны, предназначалась для крепления печатной платы в технологической оснастке при сборке, монтаже и контро­ле ячейки, а также для крепления несущей конструкции (рамки), если она предусматривалась, установки разъема с выводами (и при необходимости — планки с контрольными гнездами).

Если для модулей аппаратуры второго поколения характерно и достаточно произвольное расположение элементов, то специфика ячеек с применением ИС — выделение участка монтажной зоны, на которой концен-трируются преимущественно микросхемы. При этом привязка выводов корпусов ИС к точкам пересечения коор­динатной сетки печатной платы привела к упорядочению располо­жения ИС в виде горизонтальных рядов и вертикальных столб­цов. Это позволило в некоторых случаях характеризовать печатную плату максимальным числом рядов и столбцов микросхем опреде­ленной серии, скомпонованных на этой печатной плате.

Однако даже при самой высокой степени регулярности струк­туры компонуемой части МЭС она не может быть реализована только на ИС. Требование помехозащищенности ячейки приводит к необходимости введения в нее наряду с микросхемами фильтра цепей питания. Этот фильтр, как правило, состоит из резисторов и конденсаторов. Поскольку цепи питания обычно выводятся на крайние выводы разъема через крайние концевые контакты, эле­менты фильтра устанавливаются на месте крайних микросхем, расположенных на пересечении крайних столбцов с рядом, бли­жайшим к концевым контактам.

Применение навесных ЭРЭ в сочетании с ИС не дает полностью реализовать все преимущества последних. Особенно резко этот недостаток стал проявляться по мере роста степени интеграции ИС. Для борьбы с этим недостатком было предложено упаковы­вать навесные ЭРЭ в МСБ, корпуса которых конструктивно и тех­нологически согласуются с корпусами ИС высокой степени интег­рации. В аппаратуре четвертого поколения при компоновке ячеек уже однозначно используется разделение монтажной зоны на от­дельные участки для компоновки ИС и МСБ. Дальнейшее разви­тие аппаратуры четвертого поколения привело к появлению конст­рукций ячеек и блоков с общей герметизацией, в которых приме­няют бескорпусные МСБ в сочетании с бескорпусными микросхе­мами и компонентами. Здесь также наблюдается деление несущей конструкции (НС) основания на участки, на каждом из которых скомпонованы МСБ на подложках одного типономинала.

Рис. 34. Геометрия печатной платы: - длина и ширина печатной платы;- длина и ширина корпуса ИС;- шаг установки ИС;- длина и ширина зоны установки ИС;- краевые поля печатной платы

Конструкция с общей герметизацией характеризуется известной гибкостью компоновочных решений. Наряду с компоновкой бес­корпусных ИС и компонентов на коммутационной пленочной плате допускается установка миниатюрных корпусированных ЭРЭ не­посредственно на плату.

Разделение монтажного пространства на зоны характерно не только для ячеек на микросхемах и МСБ, но также и для более высоких уровней компоновки аппаратуры таких, как блок, прибор и шкаф [7]. Центральную часть конструкции составляет зона ячеек, в которой располагается пакет ячеек, выдвигаемый вправо при контроле и профилактике. С левой стороны блока предусмотрена зона коммутации ячеек, где сосредоточены розетки разъемов. Эти розетки либо впаиваются в объединительную печатную плату, либо устанавливаются на специальную раму. В задней части бло­ка (иногда в передней) предусмотрена зона коммутации выход­ных разъемов. Блоки устанавливают в шкаф, стойку или на стел­лаж.

Таким образом, спецификой компоновки аппаратуры на мик­росхемах и МСБ являются строгая ориентация расположения всех элементов (с привязкой выводов микросхем и МСБ к точкам пе­ресечения координатной сетки печатной платы) и разделение мон­тажной области на участки (зоны) компоновки элементов по прин­ципу объединения в одной зоне однотипных элементов. Эти фак­торы оказывают существенное влияние не только на механиза­цию и автоматизацию конструкторских работ в процессе проекти­рования аппаратуры, но и на автоматизацию ее производства.