Проблемы унификации конструкций электронных модулей при создании радиоэлектронной аппаратуры

Проблемы унификации конструкций электронных модулей при создании радиоэлектронной аппаратуры

Развитие сложных электронных систем с применением интегральных микросхем и микросборок, значительные затраты на этапах их проектирования и изготовления вызвали необходимость осуществления типизации конструкций электронных модулей при создании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). В этих условиях важное значение приобретают вопросы унификации и стандартизации конструкций РЭА, которые позволяют сократить затраты на ее проектирование, изготовление и эксплуатацию.

Актуальность внедрения интенсивных методов конструирования аппаратуры и эффективность внедрения базовых конструкций, где указана необходимость добиваться максимальной унификации узлов, деталей и осуществить меры по созданию машин, оборудования и приборов на основе блочно-модульных и базовых конструкций. Решение задач внутривидовой и межвидовой унификации и стандартизации в сочетании с внедрением базовых конструкций позволяет существенно увеличить количество однотипных модулей аппаратуры, обеспечивая возможность применения систем автоматизированного проектирования и изготовления аппаратуры.

Необходимость сокращения количества типов конструкций, их унификация как способ повышения технологичности и эффективности производства аппаратуры определили актуальность, цели и задачи разработки системы унифицированных базовых несущих конструкций (БНК) электронных модулей первого -- третьего уровней, тем более, что 80% модулей различной аппаратуры размещается в ячейках, блоках, шкафах, на стеллажах и рамах. Из сказанного следует, что применение современных методов компоновки РЭА требует знания основных принципов функциональной и конструктивной взаимозаменяемости, базирующихся на основных положениях унификации и стандартизации составных частей аппаратуры.

Методы модульного построения аппаратуры и вопросы применения базовых конструкций являются предметом рассмотрения ряда авторов, причем показано, что решение задач создания типовых конструкций может быть выполнено путем упорядочения и сокращения их многообразия на основе параметрических и типоразмерных рядов.

Наибольший эффект от унификации и стандартизации на этапах разработки, производства и эксплуатации может быть получен только при комплексном подходе к решению вопроса, т. е. внедрения модульного построения и осуществления унификации как схемных, так и конструкторско-технологических решений электронных модулей аппаратуры. Эффективным является создание БНК и применение модульного принципа компоновки из стандартных функционально и конструктивно законченных модулей, вплоть до конечных изделий.

Применение БНК значительно повышает технологичность и обеспечивает возможность использования типовых технологических процессов и автоматизированного оборудования для изготовления аппаратуры.

Анализ современных методов конструирования, оценка тенденций развития и компоновки РЭА с применением микроэлектроники позволяют сформулировать основные принципы иерархической последовательности функционально-конструктивной сложности аппаратуры, являющиеся методологической основой системы построения БНК модулей первого, второго и третьего уровней.

В условиях повышенных удельных значений рассеиваемой мощности существенным является комплексное решение задач обеспечения нормальных тепловых режимов модулей РЭА, конструктивной основой которых служат БНК.

Выполнение требований, связанных со стандартизацией габаритных и установочных размеров, определяет возможность межвидовой унификации базовых конструкций модулей первого и второго уровней и обеспечивает их взаимозаменяемость в различных видах РЭА. Учитывая значительные различия в условиях размещения и эксплуатации модулей третьего уровня и в целях сокращения материалоемкости их конструкций, целесообразным является создание БНК третьего уровня применительно к объектам их установки.

Несущей конструкцией называется элемент конструкции или совокупность элементов конструкции, предназначенные для размещения составных частей аппаратуры и обеспечения их устойчивости к воздействиям в заданных условиях эксплуатации.

Несущая конструкция является достаточно сложной механической системой, состоящей из большого количества различных деталей и элементов, соединенных между собой разъемными и неразъемными соединениями. Несущая конструкция обеспечивает необходимое положение ЭРЭ в пространстве, наличие определенных электрических и магнитных связей между ними, защиту от дестабилизирующих факторов условий эксплуатации, придают изделию товарный вид. К НК обычно относят печатные и монтажные платы, рамки, каркасы, шасси и кожуха блоков, рамы, стеллажи, стойки, шкафы и другие детали аналогичного назначения.

Оценка технического уровня различных изделий или выбор наиболее оптимального устройства из ряда существующих обычно производится по отдельным параметрам и критериям. Рассматривается большое количество отдельных параметров и критериев оценки технического уровня БНК. Однако единая методика сравнения различных БНК по рассматриваемым параметрам в технической литературе отсутствует. Несущие конструкции характеризуются большим числом различных критериев, поэтому задача оценки или сравнения их является многокритериальной. Решение многокритериальных задач представляется сложным вопросом и производится различными методами. Наиболее простым и приемлемым методом в данном случае является метод альтернативы.

Альтернатива (от латинского слова alter -- один из двух) -- необходимость выбора одного из двух или нескольких возможных решений, вариантов. Существует несколько методов решения альтернативы, рассмотрим один из них.

Любая система характеризуется частными критериями, которые определяются на основании объективно существующих зависимостей. Единый критерий такой системы, являющийся функцией частных критериев, будем называть обобщенным.

Для некоторой «идеальной» системы разность между максимальным значением частного критерия и его действительным значением, что представляет собой меру отступления от «идеальной» системы, необходимо знать, какую долю составляет эта разность от всего возможного диапазона изменения данного критерия. Каждый частный критерий имеет различный вес в обобщенном критерии; система характеризуется не одним, а n критериями.

В любой системе имеются критерии, оптимальные значения которых стремятся как к максимальной, так и к минимальной величинам. Например, для «идеальных» БНК значения плотности стремятся к минимальным, а суммарной площади печатных плат, размещаемых в блоке, -- к максимальным. В любой системе имеются критерии, дающие количественную и качественную оценки. Критерии, которые дают количественную оценку, имеют физическую природу и определяются из различных аналитических зависимостей. Критерии, которые дают качественную оценку, называются неметрическими, они чаще всего отражают эстетические или мнемонические свойства системы. Такие критерии обычно определяются методом экспертных оценок. Из частных критериев систем обычно выделяют главные частные критерии, которые являются определяющими при анализе параметров системы. Значения весового коэффициента главных частных критериев обычно берутся большими по сравнению со значениями для частных критериев. Определенных зависимостей для частных и главных частных критериев не существует, все зависит от важности критериев и субъективности в их оценке со стороны специалистов. Различные авторы предлагают проводить сравнение ВНК более чем по 50 параметрам. Анализ этих параметров показывает, что их можно свести в восемь групп и целую группу заменить одним критерием (табл. 1). В результате анализа было выявлено девять критериев, по которым рекомендуется проводить сравнение БНК.

Таблица 1 «Параметры БНК»

Количество групп условий эксплуатации. Условия эксплуатации аппаратуры задаются путем указания группы эксплуатации изделия по соответствующим стандартам. Плотность НК. Плотность любого устройства, в том числе и БНК, определяется как масса НК умноженная на объем устройства (блока, стойки). Чем значения плотности меньше, тем БНК более оптимальны. При определении объема габариты устройства необходимо брать по каркасу, без выступающих частей.

Приведенная площадь ПП. Под приведенной площадью ПП понимается суммарная площадь ПП, находящихся в устройстве, которая приходится на 1 см3 объема устройства. Чем значение площади выше, тем БНК являются более оптимальными.

Приведенная масса НК. Приведенная масса НК -- это масса НК, приходящаяся на 1 см2 площади всех ПП. Чем значение массы меньше, тем БНК являются более оптимальными.

Коэффициент экранирования. Эффективность экранирования любой РЭА, в том числе и ее БНК, определяется коэффициентом экранирования. Чем значения коэффициента выше, тем экранирующие способности БНК лучше.

Удельная трудоемкость. Основным критерием, характеризующим конструкцию с экономической точки зрения, является трудоемкость изготовления. Чем значение удельной трудоемкости будет меньше, тем БНК более прогрессивны.

Удельная мощность рассеивания. С повышением плотности компоновки современной аппаратуры увеличивается теплонагруженность устройств, которая в значительной степени зависит от объема устройства. Применение в таких устройствах принудительных способов охлаждения дает увеличение габаритов. Поэтому в качестве критерия оценки теплотехнических параметров изделий будем применять удельную мощность рассеивания.

Критерий эргономики. Соблюдение эргономических законов при разработке БНК характеризуется неметрическим критерием, значения которого определяются методом экспертных оценок, чаще всего по пятибалльной системе.

Критерий ремонтопригодности. Согласно ГОСТ 27.002--83 показателем ремонтопригодности является среднее время восстановления работоспособного состояния, которое представляет собой математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния.

Практически критерием ремонтопригодности БНК могут быть затраты времени или количество операций для ремонта (замены) элементов схемы или конструкции, находящихся в менее доступных местах устройства.

Рассмотрим основные мероприятия по защите электронных аппаратов от воздействующего на них влияния различных факторов:

Защита от воздействия окружающей среды. Все факторы окружающей среды, действующие на РЭА, можно разделить на климатические и механические. Климатические факторы окружающей среды характеризуются влиянием на РЭА температуры, повышенной влажности, атмосферного давления, пыли и песка, радиации. К механическим воздействиям окружающей среды относятся вибрация, удары, линейное ускорение, транспортирование. Параметры окружающей среды для различных видов РЭА указываются непосредственно в ТУ на разработку этой аппаратуры.

Влияние температуры. Температура воздуха на земле зависит от географических координат местности, времени года и суток, высоты над уровнем моря. Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению состояния как металлических, так и неметаллических деталей аппаратуры.

Известно, что при нагревании или охлаждении двух стержней одинаковой длины, но изготовленных из различных материалов, относительная длина их (в миллиметрах) изменится.

В результате этого в конструкциях возникают дополнительные напряжения, вызывающие деформацию деталей, ослабление крепления деталей и узлов, появление дополнительных погрешностей из-за увеличения зазоров в сопрягаемых деталях, разрушение паяных швов, и, как следствие, нарушение герметизации. Защитить полностью РЭА от изменения температуры не представляется возможным, поэтому выбор материалов и конструкции должен производиться с учетом всех последствий влияния изменений температуры.

Влияние повышенной влажности. Влажность атмосферного воздуха изменяется в широких пределах и зависит от характера климата, рельефа местности и близости водной среды. Она выпадает в виде росы, тумана, дождя, инея и града. Снижение температуры воздуха в замкнутом объеме приводит к увеличению относительной влажности и даже к выпадению росы.

Детали несущих конструкций изготовляют из различных металлических и изоляционных материалов, на которые повышенная влажность действует отрицательно. Разрушение металлов и сплавов из-за химического и электрохимического воздействия внешней среды называется коррозией. Особенно сильное разрушение происходит при электрохимическом воздействии, т. е. при наличии влаги. Для защиты деталей несущих конструкций от коррозии необходимо применять металлы и сплавы, которые не подвергаются коррозии (нержавеющие стали, титановый сплав и др.), или наносить на них защитные металлические, неметаллические и лакокрасочные покрытия. Основные требования к выбору защитных, защитно-декоративных металлических и неметаллических покрытий регламентируются ГОСТ 9.303--84. Классификация лакокрасочных покрытий по внешнему виду и условиям эксплуатации устанавливается ГОСТ 9.032--74.

Влага, проникая в поры, трещины и капилляры изоляционных материалов, вызывает уменьшение объемного сопротивления, рост диэлектрических потерь и увеличение диэлектрической проницаемости последних. Поэтому изоляционные детали несущих конструкций необходимо изготавливать из негигроскопичных материалов или пропитывать детали негигроскопичными материалами.

Влияние пониженного атмосферного давления. С увеличением высоты атмосферное давление снижается.

Пробивное напряжение воздуха характеризуется произведением давления на расстояние между электродами. Следовательно, зазоры между токонесущими деталями, находящимися в негерметизированных устройствах и работающими при пониженных давлениях, приходится увеличивать по сравнению с зазорами в аппаратуре, работающей при нормальном давлении. Пониженное атмосферное давление способствует испарению некоторых составляющих смазок, лаков и других материалов. Кроме того, при низком давлении снижается плотность воздуха, что ухудшает условия охлаждения аппаратуры.Часто узлы и блоки, используемые при пониженных давлениях, герметизируют. В них сохраняется нормальное внутреннее давление воздуха при подъеме на высоту. Вследствие образующейся разности между внутренним и внешним давлениями, достигающей при больших высотах значения, близкого, могут появиться значительные деформации стенок кожуха. В результате этих деформаций возникают трещины, что нарушает герметизацию, а также увеличение габаритов кожухов, которые могут повредить близко расположенные устройства.

Влияние пыли и песка. Пыль состоит из мелких и твердых частиц, равномерно распределенных в воздухе. Эти частицы тяжелее воздуха, поэтому они медленно осаждаются на поверхности и легко проникают всюду через неплотные соединения и мелкие отверстия.

Пыль и песок, проникая в блоки аппаратуры, попадают на смазку подвижных элементов, что приводит к увеличению моментов вращения и усилий на перемещения, к ускорению износа и заеданию. Пыль, оседая на поверхность деталей, благоприятствует конденсации влаги, что усиливает коррозию металлов и сплавов и ухудшает изоляционные свойства материалов. Пыльная поверхность изоляционных материалов снижает поверхностное сопротивление на несколько порядков и уменьшает напряжение поверхностного пробоя.

Песок и крупные частицы пыли при сильном ветре могут повредить поверхность наружных деталей аппаратуры. Для защиты от песка и пыли в конструкциях радиоаппаратуры необходимо предусматривать соответствующие уплотнители.

Влияние радиации. Радиоаппаратура, находясь под воздействием прямых солнечных лучей, может сильно нагреваться, что вызывает такие же изменения в ней, что и при температурных воздействиях. Ультрафиолетовые излучения солнца вызывают химические изменения в ряде изоляционных материалов. Некоторые типы пластмасс меняют свой цвет, быстро стареют и становятся хрупкими. Лакокрасочные покрытия обесцвечиваются, растрескиваются и отслаиваются. Большинство металлов и керамических материалов под действием космической радиации практически не изменяет своих свойств. Неорганические материалы также очень слабо подвержены влиянию космической радиации.

Влияние вибрации. Вибрации подвержена аппаратура, устанавливаемая на автомобильном и железнодорожном транспорте, на кораблях, самолетах и ракетах. Например, на кораблях основная вибрация создается ходовыми винтами и главным двигателем, на самолетах и ракетах -- тяговыми двигателями, встречным потоком воздуха и другими причинами.

Под действием силы в деталях несущих конструкций могут возникать большие механические напряжения, которые могут привести к поломке последних. При вибрации (даже при малых уровнях вибрационных нагрузок) с течением времени возникают разрушения элементов конструкции за счет явлений усталости, которые при знакопеременных нагрузках проявляются больше, чем при статических. Особую опасность представляют вибрации, частота которых совпадает с собственными частотами деталей и элементов конструкции.

При воздействии вибрации ухудшается качество всех видов механических соединений. При длительном действии вибрации разбалтываются винтовые соединения, расшатываются заклепочные, а сварные -- разрушаются. Происходит обрыв проводов и элементов, закрепленных за выводы. Контактные пружины реле, переключателей, а также плоские пружины элементов конструкции, представляющие собой консольные балки, при воздействии вибрации могут колебаться с определенной частотой, в результате возможны ложные срабатывания реле и переключателей или поломка пружин.

Влияние ударов. Удары возникают при приземлении самолета, при маневрировании вагонов железнодорожного транспорта, при падении приборов и т. д. В результате удара происходят колебания с большой амплитудой, действие которой и может вызвать значительные повреждения в аппаратуре, но благодаря демпфирующей способности упругих элементов они быстро затухают.

Части конструкций с большой сосредоточенной массой, особенно закрепленные консольно, из-за ударов смещаются со своих фиксированных мест или даже срываются с крепления. Удары, направления которых создают большие срезающие напряжения, разрушают сварные и заклепочные соединения. Элементы крепления деталей, выполненных из материалов, обладающих малой удельной вязкостью, например алюминиевое литье, керамика, некоторые пластмассы и др., при воздействии ударных нагрузок часто обламываются.

Влияние линейного и центробежного ускорения. При изменении скорости на прямолинейном участке движения или при криволинейном движении объекта, на котором установлена РЭА, последняя испытывает линейное или центробежное ускорение. Под действием силы в деталях несущих конструкций возникают значительные напряжения, которые могут привести к их поломке.