39. Принципы конструирования как: моносхемный; схемно-узловой; каскадно-узловой; функционально-узловой и модульный [10].

Моносхемный принцип конструирования. Этот принцип конструирования заключается в том, что полная принципиальная схема радиоэлектронного аппарата располагается на одной печатной плате и поэтому выход из строя одного элемента приводит к сбою всей системы. Оперативная замена вышедшего из строя элемента затруднена из-за сложности его обнаружения. ЭА и ЭВА, построенная по моносхемному принципу, должна быть смонтирована из нескольких БИС, в которых предусмотрены меры увеличения надежности путем введения аппаратурной и информационной избыточности. Нахождение неисправностей при этом должно производиться программными методами.

Схемно-узловой принцип конструирования. При этом принципе конструирования на каждой из печатных плат располагают часть полной принципиальной схемы радиоаппарата, имеющую четко выраженные входные и выходные характеристики. По такому принципу сконструированы настольная и бортовая ЭА и ЭВА, где различные устройства выполняют на одной или нескольких (небольшом числе) платах, а объединение их между собой производят с помощью коммутационной платы и проводных жгутов.

Каскадно-узловой принцип конструирования. Этот принцип конструирования заключается в том, что принципиальную схему радиоаппарата делят на отдельные каскады, которые не могут выполнять самостоятельных функций.

40. Типизация есть способ ликвидации многообразия изделий путем обоснованного сведения к ограниченному числу избранных типов (типоразмеров), при котором размеры (параметры) избранных типов получены в виде предпочтительного ряда, образованного в результате деления или умножения размеров (параметров) одного исходного, называемого базовым, изделия на целое число.

Унификация есть организационный крупномасштабный метод планирования конструкторских разработок и производства, который предусматривает рациональное сокращение числа типоразмеров изделия, составных частей и материалов путем создания конструктивно-параметрических рядов изделий на основе базовой конструкции.

Унификация предполагает осуществление разработки не единичного, заданного сегодня изделия, а перспективного конструктивно-параметрического семейства изделий. Конструктивно-параметрическим семейством называют группу из нескольких, совместно разрабатываемых изделий одного функционального назначения с общими схемно-конструктивными признаками, по своим параметрам и размерам отвечающих заранее установленному размерному ряду. Основой конструктивно-параметрического семейства является единство принципиальных схемотехнических и конструктивных решений. Различие между изделиями, входящими в семейство, может получаться в результате добавления или исключения отдельных функциональных частей схемы, но не изменения принципиальных схемных решений, как электрических, так и компоновочных. Члены семейства формируются из унифицированных сборочных единиц и деталей, позволяющих путем различных сочетаний создавать необходимую номенклатуру изделий данного размерного ряда с дополнением незначительного числа оригинальных деталей и сборочных единиц.

42. Микроблок представляет собой микроэлектронпое изделие, в котором наряду с компонентами и элементами на общее основание установлены микросборки [6]. В крупногабаритных ячейках все компоненты установлены на общее, например, металлическое основание ячейки непосредственно.

Групповую защиту от климатических воздействий осуществляют следующими способами: локальной герметизацией установленных на подложки или непосредственно на основание групп ИЭ'Г; общей герметизацией подложек в составе РЭМ первого или более высоких уровней.

43. Третий, уровень компоновки в настоящее время имеет три разновидности: функциональные ячейки (ФЯ) на металлическом основании (рамке или пластине), ФЯ на крупноформатной многослойной подложке («гигантская микросборка») и ФЯ на печатной плате. Компоновка бескорпусных МСБ может осуществляться для всех трех вариантов, а компоновка корпусированных МСБ чаще всего проводится на печатных платах, в редких случаях — на крупноформатных подложках. Компоновка корпусированных МСБ на металлическом основании нерациональна, если применять обычные корпуса, имеющие штыревые или планарные жесткие выводы. Наиболее перспективной является компоновка ИС в кристаллодержателях на крупноформатных стальных эмалированных подложках или алюминиевых подложках с полиимидной пленкой.

Компоновка ФЯ в блок образует следующий, четвертый, уровень и зависит от выбранной компоновочной схемы блока (разъемная, плоскостная, кассетная или книжная).

Одним из главных удельных показателей конструкции МЭА является плотность упаковки элементов уча плоскости или в объеме [5]:

N N

У5=— [эл/см2]; yv =— [эл/см3]. (3.4.1)

О V

Чем больше эти величины, тем более совершенным считается принятый метод конструирования.

Вторым удельным показателем, определяющим меру потерь площади, объема или массы является коэффициент дезинтеграции:

S V т

CJS= —; — ; ■ (3.4.2)

SN VN mN

где S, V, m — суммарная площадь, объем и масса рассматриваемого уровня компоновки МЭА; SN, VN, m(V — площадь, объем и масса полезной (схемной) части на этом уровне компоновки.

Третьим удельным показателем конструкции МЭА является удельная мощность рассеивания:р(3.4.3)Рас-

44. Спецификой конструкций МЭА являются малые газовые зазоры между нагретой зоной и корпусом, которые не обеспечивают условий для конвекции. Поэтому тепло от нагретой зоны к корпусу передается преимущественно излучением и теплопроводностью через газовые прослойки и элементы конструкции. За счет высоких коэффициентов теплопроводности конструкционных материалов наиболее эффективен последний способ теплопередачи. Поэтому в конструкциях МЭА крайне важно обеспечить хороший тепловой контакт между элементами нагретой зоны и корпусом.

Первое направление развития конструкций МЭА решает эту задачу на уровне элементной базы, т.е. за счет значительного увеличения у[,]£ . В остальных направлениях ставятся задачи по уменьшению величины С/у, т.е. создания наиболее компактной конструкции на основе новых способов формообразования, компоновки, монтажа, новых видов материалов, несущих конструкций и способов тсплоотвода.

Новые способы формообразования и компоновки (второе направление) характеризуются общим стремлением перехода от МЭА III поколения к МЭА IV поколения, в которой корпуса ИС исключаются из конструкций.

Третье направление — конструирования гибких печатных схем и крупноформатных пленочных подложек на металлическом основании. В конструкциях гибких печатных схем вместо жесткого основания печатной платы, выполненного из гетинакса, стеклотекстолита и их заменителей, с толщиной порядка 1 ... 1,5 мм, используются полиимидные пленки, толщина которых от 0,1 до 0,28 мм. Применение гибких печатных схем повышает надежность, уменьшает время сборки устройств на сотни часов и дает выигрыш в объеме и массе в 2 ... 4 раза по сравнению с применением жестких плат.

Четвертым направлением перспективного развития конструкций МЭА может явиться широкое внедрение оптических волноводных линий монтажа взамен гальванических соединений в блоках. При этом методами интегральной технологии могут быть изготовлены оптоэлектронные устройства, объединенные на платах-подложках, пакет которых образует блок.

Пятое направление развития конструкций МЭА основано на уменьшении объема и массы теплоотводящих элементов конструкции за счет увеличения их теплопроводности и новых систем охлаждения

45. Принцип миниатюризации основывается на том, что ЭА и ЭВА относится к изделиям информационных систем, назначение которых сводится к передаче, извлечению, преобразованию и накоплению информации, что может осуществляться при очень небольших энергетических затратах, габаритах и массе (например, мозг, глаз, наследственность) [6].

Принцип миниатюризации стал основой конструирования с целью снизить массу, габариты, материалоемкость, трудозатраты, повысить технологичность, качество и надежность.

Под комплексной миниатюризацией в широком смысле понимают системный подход к применению в радиоэлектронике всех средств микроэлектроники, отображающий внедрение новых принципов создания МЭА на базе ИС сверхвысокой степени интеграции (СБИС, ССИС) и разработок математического и аппаратурного обеспечения для автоматизированных систем проектирования, конструирования, изготовления и контроля [4].

Основная задача комплексной миниатюризации электронной аппаратуры есть обеспечение ее высокой компактности, ресурсосбережения, надежности, повышенных эксплуатационных характеристик, технологичности и серийноспо- собности. Выполнение этих требований должно достигаться нивелированием (выравниванием) этих параметров и свойств на всех уровнях конструкторской иерархии устройств и блоков. Для этого необходимо решить ряд задач, главными из которых являются:

47. Под охлаждением электронной аппаратуры понимают процесс отвода и переноса тепла от элементов аппаратуры к среде, температура которой остается неизменной или поддерживается в необходимых пределах

48-2. По характеру движения теплоносителя системы охлаждения делятся на системы принудительного и естественного движения охлаждающей среды. Применение принудительного воздушного, жидкостного и испарительного охлаждения приводит к усложнению конструкции, увеличивает объем и стоимость ЭА и ЭВА. Конструкция должна отвечать следующим требованиям [1]:1.обеспечивать хорошее обтекание холодным воздухом всех элементов конструкции, особенно теплонагруженных;2.теплонагруженные элементы должны располагаться ближе к стенкам блока;3.теплочувствительные элементы должны защищаться от обтекания нагретым воздухом;4.при воздействии лучистой энергии теплочувствительные элементы должны защищаться экранами;5.все теплонагруженные элементы должны иметь хорошие тепловые контакты с несущими узлами (шасси, платы, кожухи и т. п.).

Конструкция, в которой используется принудительная воздушная вентиляция, должна отвечать следующим требованиям;1.обладать малым аэродинамическим сопротивлением протекающему воздуху;2.обеспечивать хороший доступ холодного воздуха к теплонагруженным элементам;3.предотвращать попадание нагретого воздуха на теплочувствительные элементы;4.защищать внутренний объем от пыли;5.обеспечивать резервирование принудительного воздушного потока;6.осуществлять автоматическое отключение блока при выходе из строя системы принудительной вентиляции.

Системы принудительного охлаждения делятся на общие и локальные. С помощью общих систем охлаждения охлаждают всю электронную аппаратуру или блок в целом. Локальные системы предназначены для охлаждения отдельных теплонагруженных элементов и используются для блоков с мощными лампами и транзисторами.

49. Тепловой режим характеризуется совокупностью температур всех элементов, из которых состоит ЭА или ЭВА, т.е. его температурным полем, а также напряженностью и стационарностью. Если плотность теплового потока не превышает 5 мВт/см2 (перегрев поверхности аппаратуры относительно окружающей среды не более 0,5°С), то режим считается нетеплонапряженным [8].

Стационарный тепловой режим характеризуется неизменностью температурного поля во времени вследствие наступления термодинамического баланса между источниками и поглотителями тепловой энергии. Нестационарный тепловой режим характеризуется зависимостью температурного поля от времени. Этот режим имеет место при быстром изменении подведенной к электронной

аппаратуре мощности.

Внезапные отказы электронной аппаратуры, вызванные изменением температуры, обусловлены:

1.нарушением целостности элементов конструкции вследствие различия TKJTP ее материалов (обрыв проводников, растрескивание металлостеклянных спаев; отслаивание и растрескивание подложек; появление внутренних напряжений, приводящих к нарушению паяных, сварных и клеевых соединений, растрескиванию компаундов; заклинивание кинематических пар и т.д.);

2.замерзанием влаги, приводящим к расширению микротрещин в подложках; отслаиванием печатных проводников, расслаиванием МГ1П; конденсацией влаги, создающей закорачивающие перемычки и условия для возникновения электрохимической коррозии;

3.затвердеванием или размягчением резины, что снижает качество герметизирующих прокладок и элементов амортизации; изменением вязкости смазок; выделением газообразных составляющих из диэлектрических конструкционных материалов, что ведет к снижению электрической прочности и образованию агрессивных сред; старением припоев (перекристаллизация, образование пор) и т.д.

50. Для обеспечения теплового режима аппаратуры используются системы обеспечения нормального теплового режима (СОТР), каждая из которых характеризуется особенностями структуры, интенсивностью теплоотвода, техническими показателями (массой, габаритами, потребляемой мощностью, стоимостью, надежностью и т.д.).

Особенности структуры СОТР определяются: режимом работы системы, зависящим от соотношения температуры внешней среды и температурь! электронной аппаратуры (нагревание, охлаждение, термостатирование);характером связи хладоагента с внешней средой (хладоагент — внешняя среда, хладоагент изолирован от внешней среды, комбинированная система);режимом работы аппаратуры (непрерывный, периодический);способом передачи теплоты (конвекция, теплопроводность, излучение, за счет термоэлектрического эффекта; комбинированный способ);способом поглощения теплоты (за счет термоаккумулирующих свойств окружающей среды и материалов конструкции, за счет термоэлектрического эффекта).

Структура СОТР определяется областью использования с учетом условий, в которых работает система (на Земле, в атмосфере, в космосе, стационарно, на подвижном объекте и т.д.), уровнем разукрупнения аппаратуры (ИС, ячейка, блок, стойка и т.д.), видом аппаратуры (лазер, мощный прибор СВЧ. быстродействующая ЭВМ и т.д.).

При разработке СОТР необходимо учитывать: вид, параметры, особенности конструкции и режима работы электронной аппаратуры и объекта, где размещена аппаратура; параметры окружающей среды; массу, габариты и энергопотребление СОТР; удобство и стоимость эксплуатации СОТР; наличие серийных или опытных разработок теплообменных устройств, их элементов, рабочих веществ и их стоимость.

51. Общая задача охлаждения аппаратуры разделяется на две [1]: обеспечение отвода тепла от гибридно-интегральных модулей (ГИМ) и других частей низших структурных уровней на несущую конструкцию и в теплоноситель;

обеспечение массопсрсноса теплоносителя и связанной с этим теплопередачи на высших структурных уровнях аппаратуры.

Конструктивное обеспечение отвода тепла внутри ГИМ и от ГИМ при малой и повышенной теплонагружснпости, включает в себя два основных вопроса: 1) теплопроводный тракт от ИС к бесконечному радиатору: 2) воздушно- конвективное охлаждение ГИМ.

Теплопередача теплового потока от ИС, расположенных внутри ГИМ. наружу, к несущей конструкции блока осуществляется по механизму теплопроводности по неоднородной цепи теплопроводного тракта.

Понятие «бесконечный радиатор» в тепловых цепях тождественно понятию «земля» в электрических цепях. Теплоемкость такого радиатора принимается бесконечной.

Принудительное воздушное охлаждение позволяет в 10 и более раз повысить теплонагруженность по сравнению с естественным.

При использовании механизма конвекции главным требованием к конструкции Г'ИМ является большая тсплоотдающая поверхность при ограниченном аэро- или гидродинамическом сопротивлении. Здесь предпочтительны игольчатые и спиральные радиаторы.

Использование жидкости вместо воздуха в качестве теплоносителя дает три главных преимущества: возможность медленного перемещения теплоносителя благодаря высокой теплоемкости жидкости; участие в отводе тепла, кроме конвекции, механизма теплопроводности жидкост и; поглощение тепла при фазовом переходе жидкость — пар.

Жидкостное охлаждение ГИМ может осуществляться в двух режимах: принудительном и естественном. Применяют дистиллированную воду двойной дистилляции, чтобы исключить образование теплоизолирующего нерастворимого осадка на стенках каналов и трубопроводов.

В естественном режиме жидкостного охлаждения может производиться охлаждение только при кратковременной работе, исчисляемой единицами часов. Примером прерывистого режима служит самолетная ЭА и ЭВА.

Естественный режим жидкостного охлаждения основан на погружении охлаждаемого ГИМ в плавящееся, сублимирующее или кипящее вещество. Переход кристаллического тела в жидкое состояние требует затраты количества теплоты, называемого теплотой плавления, что используется для охлаждения. Процесс кристаллизации, протекающий во время перерывов, сопровождается выделением такого же количества теплоты, какое поглощается при плавлении.

52. Термостатом (ТСТ) называется устройство, которое, находясь в среде с меняющейся в широком интервале температурой, обеспечивает внутри некоторого объема с помещенный в него объектом термостатирования заданную температуру (узкий интервал изменения температуры) в течение длительного времени. При этом объект термостатирования может быть пассивным (без источников тепловой энергии) и активным.

При проектировании ТСТ необходимо обеспечить: 1) заданные температуры в рабочем объеме или объекте; 2) точность термостатирования; 3) допустимую неравномерность поля температур в объекте или в объеме камеры;4)нормальную работу при изменении внешних тепловых потоков,5)допустимую мощность источников или стоков тепла; 6) необходимое время выхода на заданный режим; 7) заданные массу и объем [13].

53. Одной из наиболее эффективных испарительно-конденсационных систем являются теплоотводящие устройства называемые тепловыми трубами (рисунок 4.1.3) и работающие по принципу замкнутого испарительно- конденсационного цикла, основанного на испарении жидкости в зоне подвода теплоты, передаче теплоты с потоком пара, конденсации пара в зоне отвода теплоты и возвращении жидкости в зону подвода теплоты за счет капиллярных или гравитационных сил Г81.По назначению различают тепловые трубы для переноса теплоты, трансформации тепловых потоков, терморегулирования, термостатирования [10]. По диапазону рабочих температур тепловые грубы бывают: криогенные (0—200 К), низкотемпературные (200—550 К), среднетемпературные (550—750 К), высоко-температурные (выше 750 К), высокотемпературные из тугоплавких материалов (выше 1300 К).

По составу теплоносителей тепловые трубы могут быть однокомпонентные, многокомпонентные, газонаполненные.

По тину рабочей жидкости различают тепловые трубы: жидкостные, с металлическим и неметаллическим рабочим телом.

По конструкции фитиля тепловые трубы могут быть бесфитильные, с простыми, составными и артериальными фитилями.

По типу фитиля различают тепловые трубы: сеточные, порошковые.

По геометрической форме тепловые трубы могут быть цилиндрические, плоские, гнутые, гибкие, коаксиальные комбинированные.

Тепловые трубы обладают высокой изотермичностью, работоспособностью в невесомости, большим сроком службы (16000 ч для труб на воде), малой массой, высоким КПД (около 90%). Недостатком тепловых труб является сложность, воспроизведения их параметров.

Термобатарея может осуществлять как охлаждение, так и нагрев (для этого необходимо изменить направление тока).

Для повышения эффективности охлаждения применяют многокаскадные батареи, что позволяет снижать температуру до 70 К. Материалами для элементов каскадов являются твердые растворы на основе теллурида висмута (Bi2Te3) с легирующими добавками.

К недостаткам термобатарей следует отнести: низкий КПД (30% для одно- каскадной батареи: 12% для двухкаскадной, 3% для трехкаскадной и 0,013% для дссятикаскадной); большую массу; небольшую механическую прочность; большую постоянную времени. Важнейшим преимуществом термобатарей является возможность получения температуры ниже температуры окружающей среды.

54. Электромагнитная совместимость аналоговых узлов обеспечивается системотехническими, схемотехническими и конструкторско-технологическими методами. К системотехническим методам относятся передача аналоговой информации в цифровой форме и кодирование се с помощью помехозащищепных кодов, к схемотехническим—-увеличение помехозащищенности схем (исключение необоснованного использования элементов с завышенной рабочей частотой, применение схем на основе дифференциальных усилителей), гальваническая развязка цепей с помощью трансформаторов или оптронов, подавление помех с помощью режекторпых фильтров, использование амплитудного и временного сгробирования, искрогасящих цепей у разрывных контактов, прецизионных элементов и т.д.

Электрически короткой называют линию связи, в которой время распространения сигнала много меньше длительности фронта передаваемого импульса, а при непрерывном сигнале не превышает 0,1 полуволны. Сигнал, отраженный от несогласованной нагрузки, в такой линии достигает источника раньше, чем успеет существенно исказиться полезный сигнал. Электрические свойства такой линии передачи оцениваются сосредоточенными характеристиками: сопротивлением, индуктивностью и емкостью (рисунок 4.2.1, 4.2.2) ГЦ.

Электрически длинная линия связи характеризуется временем распространения сигнала, большим, чем длительность фронта передаваемого импульса, а для непрерывного сигнала — временем задержки, большим, чем 0,1 полупериода. В такой линии отраженный сигнал приходит к ее началу после окончания фронта импульса и искажает его форму. При расчетах такие линии следует рассматривать как линии с распределенными параметрами.

В электрически длинных линиях необходимо обеспечить равенство входного сопротивления приемника и выходного сопротивления генератора волновому сопротивлению линии.