4. Разработка компоновки блока и выбор способа монтажа

Плату устанавливают в корпус из изоляционного материала в котором сверлят отверстия для толкателей кнопок, индикатора и гнезда для подключения нагрузки. Монтаж платы производится вручную с помощью болтов. Этот способ монтажа будет более рационален для данного устройства. Под компоновкой понимается процесс размещения комплектующих модулей, электрорадиоэлементов и деталей РЭА на плоскости или в пространстве с определением основных геометрических форм и размеров. В зависимости от уровней модульности различают несколько уровней компоновки аппаратуры: микросхем и электрорадиоэлементов на плате, ячеек в блоке и т.д. Процесс компоновки завершается получением компоно-вочного эскиза.

Конструктор должен искать такие компоновочные решения, которые удовлетворяют следующим требованиям:

– между отдельными узлами, приборами и блоками должны отсутствовать заметные паразитные электрические и магнитные взаимосвязи, влияющие на технические характеристики изделия; тепловые и механические влияния элементов конструкции не должны значительно ухудшать их технические характеристики;

– взаимное расположение элементов конструкции должно обеспечивать технологичность сборки и монтажа с учетом использования автоматов и полуавтоматов, легкий доступ к деталям для контроля, ремонта и обслуживания;

– расположение и конструкция органов управления и отсчетных устройств должны обеспечивать максимальные удобства для оператора;

– изделие должно удовлетворять требованиям техниче-ской эстетики;

– габариты и масса должны быть минимальными.

Удовлетворить одновременно всем перечисленным требо-ваниям в большинстве случаев не удается. Поэтому процесс компоновки, как и всякий процесс конструирования, сводится к нахождению оптимального решения.

Высокая сложность разрабатываемой в настоящее время РЭА, построенной с применением различного типа микросхем, микросборок и других современных электрорадиоэлементов, вызвала необходимость поиска таких конструктивных и компоновочных решений, которые позволили бы удовлетворять следующим требованиям:

– высокой степени микроминиатюризации аппаратуры в целом;

– широкой унификации элементов конструкции;

– возможности параллельной сборки и регулировки со-ставных частей РЭА;

– обеспечения высокой эксплуатационной надежности аппаратуры многоразового действия за счет быстрой замены вышедших из строя составных частей;

– возможности проведения модернизации отдельных составных частей при сохранении неизменными других.

Основной задачей при этом является реализация схемы изделия в виде набора отдельных конструктивно законченных модулей, узлов или блоков, связанных друг с другом цепями электрической коммутации. Важным этапом при этом является разбиение электрической принципиальной схемы изделия на подсхемы (функциональное разбиение).

После функционального разбиения электрической принципиальной схемы изделия необходимо провести анализ существующих конструкций и рассмотреть сравнительные технические характеристики аналогичных конструктивных решений устройства с учетом требований миниатюризации, надежности, качества. При этом следует учитывать особенности проектирования конструкции РЭА в зависимости от функционального назначения, условий эксплуатации, размещения и свойств объекта-носителя.

Одной из важнейших задач, решаемой на этапе предварительной компоновки изделия, является выбор типа внутриблочного электрического монтажа. Его тип определяется используемой элементной базой, рабочим диапазоном частот, условиями эксплуатации и вариантом конструкции модуля. В РЭА используются два способа монтажа:

– объемный (жгуты, провода, кабели);

– плоский (печатный монтаж).

На конструкцию объемного электромонтажа решающее влияние оказывает частотный диапазон работы устройства. В устройствах, работающих на средних и низких частотах (до 1 МГц), монтаж выполняется объемным гибким проводом либо плоским кабелем. Их выбор зависит от силы тока, напряжения, частоты и условий эксплуатации. В блоках, работающих на высоких частотах (от 1 до 300 МГц), ощутимым становится влияние паразитной емкости и индуктивности элементов электромонтажа. При этом отдельные участки электромонтажа становятся источниками или приемниками радиопомех. С целью устранения паразит-ных связей между узлами применяют электромагнитные экраны, а электромонтаж выполняют экранированным или коаксиальным кабелем.

В блоках СВЧ (свыше 300 МГц) для электрического монтажа используют коаксиальные линии связи или волноводы.

Для реализации внутримодульного электромонтажа применяют печатный монтаж.

В процессе конструирования печатных плат определяются конфигурация и габаритные размеры печатных плат, радиальное взаимное расположение навесных элементов на печатных платах, осуществляется трассировка соединений. Определение конфигурации и габаритных размеров печатных плат необходимо осуществлять с учетом габаритных размеров разрабатываемого изделия, сложности электрической схемы, применяемых элементов, эксплуатационных требований, предъявляемых к изделию.

Конструирование печатных плат осуществляется следующими методами:

– ручным;

– полуавтоматизированным;

– автоматизированным.

При ручном методе конструирования размещение навесных элементов и разработка проводящего рисунка осуществляются вручную.

Полуавтоматизированный метод конструирования может включать размещение навесных элементов с помощью ЭВМ и разработку проводящего рисунка печатной платы ручным методом, или размещение навесных элементов ручным методом и разработку проводящего рисунка с помощью ЭВМ.

Автоматизированный метод предполагает размещение навесных компонентов и разработку проводящего рисунка с помощью ЭВМ. Для этих целей используется система автоматизированного проектирования P-CAD, программы схемотехнического моделирования P-Spice и пакета машинной графики AutoCAD.

Наряду с традиционными технологиями монтажа в современной РЭА применяются и новые направления сборки, наиболее перспективным из которых является метод поверхностного монтажа (ПМ). Можно отметить два основных отличия технологии ПМ от традиционной технологии: поверхностно-монтируе-мые компоненты имеют меньшие размеры и монтируются не в отверстия, а на поверхность печатной платы. Таким образом, первая и наиболее важная проблема – это компоненты, монтируемые на поверхность.

Следующая важная проблема технологии ПМ – обеспечение надежности пайки. При пайке компонентов в отверстия обеспечивается жесткое механическое соединение прежде всего за счет его конструкции. В технологии ПМ требуемая прочность соединения должна гарантироваться припоем.

Все многообразие компонентов и корпусов ПМ, выпускаемых в настоящее время зарубежными и отечественными фирмами, можно разделить на три вида:

– простые корпуса для пассивных компонентов:

а) безвыводные корпуса прямоугольной формы, на-пример резисторов и конденсаторов;

б) корпуса типа MELF с вмонтированными электродами в виде металлизированных торцов;

– сложные корпуса для многовыводных полупроводниковых приборов:

а) малогабаритный транзисторный корпус (SOT);

б) малогабаритный корпус (SO) для интегральных схем;

в) увеличенный малогабаритный корпус (SOL) для инте-гральных схем;

г) плоский квадратный пластмассовый корпус (QFR);

д) пластмассовые кристаллоносители с выводами (PLCC);

е) безвыводные керамические кристаллоносители (LCCC);

ж) керамические кристаллоносители с выводами (LDCC);

з) корпуса с матрицей шариковых выводов (CBGA, CCGA, PBGA, TBGA);

– различные нестандартные корпуса для компонентов неправильной формы, например: индуктивностей и переключателей.

Корпуса для ПМ (в частности, транзисторные и для ИМС) относятся к XIV группе. Общие требования применительно к изделиям XIV группы для ПМ указаны в ГОСТ 20.39.405–84, согласно которому к таким корпусам предъявляются жесткие требования по паяемости.

На этапе компоновки определяется форма и габаритные размеры всего аппарата, а также взаимное расположение отдельных узлов, деталей и блоков. От качества компоновки в значительной мере зависят технические, технологические и эксплутационные характеристики изделия, а также его надежность и ремонтопригодность.

Необходимо найти такие компоновочные решения, которые удовлетворяют следующим требованиям:

а) между отдельными деталями, узлами и блоками должны отсутствовать заметные паразитные электрические взаимосвязи, влияющие на технические характеристики изделия: тепловые и механические влияния элементов конструкции не должны значительно ухудшать их технические характеристики;

б) взаимное расположение элементов конструкции должно обеспечить технологичность сборки и монтажа с учетом использования автоматов и полуавтоматов, легкий доступ к деталям для контроля, ремонта и обслуживания;

в) расположения и конструкция органов должны обеспечивать максимальные удобства для оператора;

г) изделие должно удовлетворять требованиям технической эстетики;

д) габариты и масса изделия должны быть минимальными.

Габариты и масса изделия в значительной мере зависят от принятых схемных решений и используемых радиоэлементов.

Мерой эффективности мероприятий по уменьшению габаритов аппаратуры является плотность монтажа - среднее количество элементов, умещающееся в единице объема.

Удовлетворение всех требований одновременно в большинстве случаев не возможно. Следовательно, процесс компоновки сводится к нахождению оптимальных решений.

Несущей конструкцией электронного прибора является элемент или совокупность элементов конструкции, предназначенная для размещения составных частей аппаратуры и обеспечения их устойчивости к воздействиям в заданных условиях эксплуатации. Несущие конструкции обеспечивают:

- возможность конструировать аппаратуру с использованием модульного принципа;

- высокий уровень миниатюризации аппаратуры, высокую надежность, технологичность конструкции;

• нормальный тепловой режим аппаратуры;

- при необходимости защиту аппаратуры от воздействия вибрации и ударов, от действия воздуха с повышенной влажностью и от изменения давления окружающей среды, от действия проникающей радиации;

• электромагнитное экранирование аппаратуры;

- безопасные условия для обслуживающего персонала и высокие эргономические характеристики.

Существует ряд видов компоновки, каждая из которой имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее широко используемыми являются аналитическая, модельная, аппликационная и графические компоновки. Компоновочный расчет будем проводить по аналитической компоновке. Аналитическую компоновку производят на начальных этапах проектирования аппаратуры с целью получения обобщенных характеристик, на основании которых складывается первое представление о некоторых конструктивных параметрах изделия.