Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Задачи конструирования

Конструкция РЭС - это пространственно организованная совокупность элементов между которыми существуют электрические, механические, тепловые и другие связи. Причём эта совокупность должна удовлетворять требованиям:

-реализации электрической схемы;

-обеспечения устойчивости параметров и характеристик к внешним воздействиям;

-возможности высокоэффективного изготовления.

Технология производства, или технологический процесс - это основная часть производственного процесса, заключающаяся в выполнении определённых действий, направленных на изменение исходных свойств объекта производства и достижение им определённого состояния, соответствующего конструкторской (технической) документации.

Конструирование - это мыслительная, оформительская и организационная деятельность, результатом которой является прогнозирование структуры будущей конструкции, оформление документации и последующее внедрение в производство и эксплуатацию.

Конструирование и технология производства являются, с одной стороны, отдельными частями сложного процесса разработки РЭС, а с другой, не могут выполнятся в отдельности, без учёта взаимосвязей между собой и с другими этапами разработки. Конструирование и технология являются этапами общего процесса: «Разработка - производство - эксплуатация» и в конечном итоге определяют свойства изделий.

На начальной стадии конструирования конструктором решаются следующие две задачи:

1) Поиск возможных вариантов конструкции;

2) Анализ и оценка каждого из выбранных вариантов конструкции с целью выбора наилучшего.

Для поиска вариантов конструкции применяются следующие методы:

1) диаграммы идей - представление возможных вариантов в виде диаграмм;

2) метод ассоциаций - заключается в способности человека преобразовывать информацию из ранее полученных знаний в форму позволяющую использовать ее в новых целях;

3) метод инверсии -заключается в обращении функции, формы и расположения деталей, сборочных единиц. Может оказаться полезным поменять детали функциями, например, ведущую деталь сделать ведомой, направляющую - направляемой, охватывающую - охватываемой, неподвижную - подвижной. Целесообразно бывает инвертировать формы деталей, например, выпуклую сферическую поверхность толкателя заменить вогнутой;

4) метод мозгового штурма - группа людей предлагает варианты идей, которые фиксируются на бумаге, после чего путем анализа полученных идей выбирается наилучшая.

Для анализа и оценки каждого варианта конструкции применяются показатели качества аппаратуры, которые зависят от ее назначения.

Для бортовой аппаратуры наиболее важную роль играют такие показатели как объем, масса, надежность.

Для бытовой и стационарной: стоимость, внешний вид, транспортабельность, надежность, массо-габаритные показатели.

Рисунок 1

2. Тенденции развития конструкций РЭС

Развитие конструкций РЭС прошло четыре этапа. Смена каждого поколения обуславливалось сменой элементной базы, в основном активных элементов РЭУ. Это, в свою очередь, приводило к смене метода и правил компоновки и монтажа.

Первое поколение РЭС (1920 - 1950 г.г.) базировалось на ламповой технике, блочном методе компоновке и монтажа. Блочный метод компоновки заключался в выполнении конструкций крупных частей схемы в виде моноблоков, чаще всего без кожухов. Устанавливались они в стойки, а коммутировались как внутри моноблока, так и между собой проволочно-жгутовым монтажом (рис.2). Недостатки: малая унификация и взаимозаменяемость, низкая надёжность.



Рисунок 2 - Конструкция РЭС 1-го поколения

Второе поколение (1950 - 1960 г.г.) связано с появлением промышленной транзисторной техники. Миниатюрные лампы были заменены на транзисторы (рис.3). Функционально-узловой метод компоновки стал основным во многих конструкциях РЭС. Снижение рабочих напряжений привело к появлению нового направления в конструировании РЭС - миниатюризация аппаратуры. Были разработаны новые конструкции функциональных узлов: плоские и объёмные модули (рис.3); этажерочные модули (рис.3). Плотность элементов в объёме увеличилась с 0,1 эл/см³ до 1,5..2 эл/см³. Однако основным конструктивным элементом оставались дискретные ЭРЭ с частотой отказов и это не могло существенно повлиять на надёжность РЭС.



Рисунок 3 - Конструкции РЭС второго поколения

Третье поколение (1960…1970 г.г.) характеризовалось появлением корпусированных ИС и миниатюрных ЭРЭ на печатных платах. Микросхемы в количестве 20…30 штук (в те годы они выпускались в металлических, пластмассовых и металлокерамических корпусах прямоугольной и круглой формы с количеством выводов не более 16) компоновались на печатных платах со средними размерами 140Ч170 мм, выводная коммутация с которых осуществлялись стандартными разъёмами. Такие конструкции, наиболее характерны для цифровых устройств, получили название в начале субблоки, а позднее - функциональные ячейки (рис. 4). Для ЭВМ аналогичные функциональные ячейки выполнялись по принципу базовых несущих конструкций и получили название типовой элемент замены. Для таких элементов плотность упаковки элементов в объёме достигла 30 эл/см³. Резкое повышение надёжности устройств на основе ИС связано с тем, что изготовление ИС производится на положке или объёме кристалла групповым методом в одном технологическом цикле сразу целого набора элементов. Так, частота отказа одной ИС, содержащей порядка 100 элементов, равна частоте отказов всего одного дискретного ЭРЭ, т.е. . Таким образом сформировалось новое поколение конструкции РЭС на основе интегральных радиоэлектронных устройствах. Проектирование их осуществляется на новых принципах схемотехники - микросхемотехника, в основе которой заложена микроэлектроника.

Рисунок 4 - Функциональная ячейка РЭС 3-го поколения

Дальнейшая миниатюризация РЭС (70-е годы) привело к появлению интегральных схем повышенной интеграции БИС и СБИС. Появляются гибридно-плёночные микросборки, которые являются функциональными узлами и устройствами в микроэлектронном исполнении, реализующие электрическую схему конкретного назначения. ГИС - это когда бескорпусные транзисторы разварены на малых подложках и вместе с плёночными компонентами заключены в единый герметичный корпус.

Аналогичная технологическая операция, но с бескорпусными ИС на более крупных подложках, например 24Ч30 или 30Ч48 мм привела к созданию СБИС или микросборок МСБ (рис.7). МСБ - это изделие четвёртого поколения. Оно заменило собой целую плату (рис.8). Логическим продолжением, на основе требований компактности, при конструировании стало то, что сами МСБ стали бескорпусными, а блок - герметичным (рис.9). Это РЭС четвёртого поколения: - снижение массы в 3ч4 раза; - объёма в 5ч6 раз; - повышенная вибростойкость и более высокая надёжность за счёт исключения стандартных разъёмов и замены их на гибкие шлейфы.

Рисунок 5 - Конструкция бескорпусной тонкопленочной микросборки

Рисунок 6 - Конструкция функциональной ячейки 4-го поколения



Рисунок 7 - Конструкция герметичного блока РЭС 4-го поколения

В настоящее время развиваются РЭС пятого поколения, в которых находят применение приборы функциональной микроэлектроники.

3. Классификация конструкций РЭС

РЭС можно классифицировать:

1) по среде эксплуатации (бытовые, наземная, морская, бортовая);

2) по функциональному назначению (измерительная, приемо-передающая и т.д.);

3) по определяющему параметру (частота, мощность);

4) по объектам установки (стационарная, переносная, возимая, носимая человеком, бортовая (на летательных аппаратах);

5) по климатическому исполнению (умеренный климат, тропический, арктический и т.д.).

Бытовая - отличается большим разнообразием. При разработке необходимо обеспечивать низкую стоимость, хороший дизайн, технологичность и надежность.

Морские ЭС:

- судовые (корабельные) - близки к стационарным, но работают в условиях повышенной влажности;

- буйковые - требуют защиты от механических воздействий, коррозии и влаги.

Бортовые ЭС:

- самолетные - воздействие широкого спектра механических воздействий (ускорение, вибрации от долей Гц до тысяч Гц) (системы слепой посадки, радиолокационные станции);

- вертолетные - работают в условиях повышенной вибрации;

- ракетные - работают малую долю времени, но долгий срок хранения. Сложности проектирования заключаются в обеспечении теплообмена, в связи с большим количеством энергии которое передает и получает аппаратура.

- космические - имеют долгий срок службы.

Стационарная аппаратура - условия эксплуатации незначительно отличаются от условий сборки и монтажа. Данный вид аппаратуры подвергается незначительным воздействиям внешних факторов.

Переносная аппаратура (контрольно-измерительная аппаратура). Может применяться как в лабораторных так и в полевых условиях. Работа в полевых условиях требует влаго- и мехзащиты.

Возимая - подвергается интенсивным механическим воздействиям. Данный вид аппаратуры имеет следующие особенности:

1) широкая номенклатура из-за большого разнообразия объектов установки;

2) возможна установка как на базу, так и за бортом.

Носимая человеком. Аппаратура может размещаться в сумке, на плече, на поясе, в кармане и т.д. К данному виду аппаратуры предъявляются требования по ограничению веса и кнопок управления.

4. Структура конструкций РЭС

Типовая структура конструкций современных РЭС состоит из элементной базы, одного подуровня и четырёх уровней (ГОСТ 26632-85).

Рисунок 8 - Структурная схема построения РЭС

Элементная база является основой конструкции РЭС. Из элементной базы наиболее динамично развиваются микросхемы.

Корпуса микросхем бывают металлостеклянными, металлокерамическими, металлопластмассовыми, стеклянными, керамическими и пластмассовыми. Форма корпусов бывает прямоугольная, круглая, овальная, квадратная.

На установочной плоскости корпуса в один или несколько рядов расположены выводы. Шаг между выводами составляет 0,625;1.0;1.25;1.7;2.5мм. В поперечном сечении они имеют круглую, квадратную или прямоугольную форму.

Бескорпусные и корпусные микросборки обеспечивают наивысшую плотность компоновки.

Микросборка - устройства в котором бескорпусные активные компоненты фиксируются клеем на подложке, на которой предварительно методом тонко- или толстоплёночной технологии выполняются проводники, контактные площадки цепей входа и выхода, плёночные активные компоненты. Фактически микросборки представляют собой гибридные МС по технологии производства, а по функциональной сложности и степени интеграции соответствуют БИС.

Модуль нулевого уровня. Модуль - составная часть аппаратуры, выполняющая в конструкции подчинительные функции, имеющая законченное функциональное и конструктивное оформление, снабжённая элементами коммутации и механического соединения с другими модулями изделия.

Функциональная ячейка - планарная конструкция, состоящая из диэлектрического основания (металлического) с размещёнными на нем проводниками, а также пассивными и активными компонентами. Кроме этого на основании могут быть размещены контрольная колодка, элементы фиксации, устройства обеспечения жёсткости и прочности ФЯ. При необходимости основания размещаются на металлической рамке с одной или двух сторон (рис.9). В электронной аппаратуре подобные конструкции получили название типовой элемент замены ТЭЗ (рис.10), а возможные варианты коммутации приведены на рис.11.



Рисунок 11 - Коммутация модулей нулевого уровня

Модуль первого уровня. Гибридные интегральные микросборки (ГИМ). Выполняются с полной или частичной герметизацией (рис.12). Основная отличительная особенность заключается в применении бескорпусных микросборок, которые можно монтировать непосредственно на печатную плату или специальную подложку. Это даёт возможность, например, в конструкциях цифровых РЭС, уменьшения объёма в пять раз и массы в три раза по сравнению с конструкциями этого же уровня на корпусированных микросхемах. Плотность упаковки (это один из главных критериев качества конструкции) может достигать десятки и сотни элементов в см³. Надёжность изделий увеличивается за счёт сокращений паянных соединений и увеличения интеграции микросборок.

Размеры ситаловых подложек обычно не превышают 48х60 мм.

Модули второго уровня. Прежде всего сюда относятся блоки различных видов, компоновочных решений и конструктивного исполнения. Блок - законченная конструкция, состоящая из сборочных единиц, РЭ, органов управления, монтажа, установленном на общем шасси. В большинстве случаев конструкцией блока является основание на котором крепятся модули низших уровней, блок питания и другие крупноформатные элементы (Рисунок 13).

Рисунок 12 - ГИМ с локальной герметизацией



Рисунок 13 - Конструкция модуля 2-го уровня

1 - лицевая панель; 2 - основание; 3 - вентилятор; 4 - провод; 5 - задняя панель; 6 - блок питания; 7 - жгут; 8 - функциональная ячейка.

Компоновочные формы блоков могут быть в виде параллелепипеда, цилиндра, сферы и представлены на Рисунок 14.

Рисунок 14 - Компоновочные схемы блоков в виде параллелепипеда (а), цилиндра (б), сферы (в), 1 - ТЭЗ; 2 - монтажная панель

Модули третьего уровня. Третий уровень конструкции представляет собой РЭА в целом в виде шкафа, пульта, стойки, стеллажа и предназначен для установки и коммутации блоков.

Конструктивной основой любой стойки являются является каркас, обычно изготавливаемый из стального уголкового профиля или труб прямоугольного или круглого сечения.

Часто в одной стойке размещаются блоки разных видов и размеров. В этом случае блоки устанавливают в промежуточную конструкцию - раму. В стойке их может быть несколько.

Рисунок 15 - Шкаф (а), пульт (б) 5 Системный и вероятностный подход при проектировании РЭС

Технической системой называют совокупность объектов, размещённых в пространстве, между которыми установлены определённые связи.

Основные признаки системы:

1. Наличие структуры;

2. Наличие объектов и взаимных связей;

3. Практическая реализуемость;

4. Целенаправленность системы, т.е. конкретность её функционального назначения;

5. Устойчивость к внешним воздействиям;

6. Наличие входа и выхода.

Одним из важнейших признаков системы является наличие в ней человека как необходимого элемента (объекта) системы. Человеку принадлежит основополагающая роль в принятии решения о поведении системы по результатам её функционирования.

Понятие конструкция РЭС, рассмотренная ранее, обладает всеми признаками, присущими системе, т.е. для неё характерно:

- наличие конструктивной иерархии (деление на конструктивные уровни);

- наличие определённых связей между элементами конструкции;

- пространственное расположение структурных уровней конструкции;

- наличие внешних воздействий на конструкцию (атмосферных, механических, температурных).

Системный подход при проектировании РЭС необходим с усложнением технических задач. При системном подходе открывается возможность применения математических методов моделирования. При этом возможно получить количественные результаты и осуществить их оптимизацию.

Системный подход предлагает изучение сложных подсистем не только в статике, но и в развитии и движении. При этом необходимо учитывать случайные отклонения и изменения, которые могут быть описаны только с использованием вероятностных понятий и методов.

Вероятностные характеристики РЭА присущи практически всем параметрам аппаратуры и только некоторые параметры, такие как масса, габариты, диапазон частот могут принимать однозначные значения.

Вероятностные методы следует применять в следующих случаях:

1. Если требуется исследовать физическую сущность явлений в РЭС и её элементах;

2. Если требуется выяснить технико-экономические причины, связанные с затратами на уменьшение отклонений параметров РЭС;

3. Необходимость получения качественных оценок явлений, не описываемых аналитическими законами.

Заметим, что применение вероятностных методов требует более высокого уровня математической подготовки и чаще всего предполагает широкое применение ЭВМ.

5. Процесс конструирования как система

Основой для разработки изделия и последующей постановки его в производство является техническое задание (ТЗ), которое составляется предприятием-разработчиком на основании заявки заказчика.

Основные функции, выполняемые предприятиями-заказчиками, разработчиками, изготовителями, потребителями, а также порядок составления, согласования и утверждения ТЗ устанавливается соответствующими ГОСТами.

Разработка изделия в промышленных масштабах - сложный, длительный процесс, разделённый во времени на проектную и рабочую стадии.

I. К проектным стадиям относят:

Необходимость разделения проектирования на стадии обусловлена последовательной проработкой, совершенствованием и доведением показателей конструкции до уровня требований ТЗ.

На этом этапе выполняются все расчёты, моделирование, изготовление и испытание макетов.

Технический проект является завершающей стадией проектирования и он является основой для рабочего проектирования.

II. Рабочее проектирование:

На стадии опытного образца разрабатывается конструкторская документация для изготовления образца на опытном производстве предприятия-разработчика.

После проведения заводских испытаний корректируется документация. Данный этап завершается присвоением документации литеры “01”.

На стадии установочной серии изготавливают серию изделий на предприятии, предназначенном уже для серийного производства. После этой стадии документации присваивается литера “А”.

На стадии серийного производства изготавливают и испытывают головную серию изделий, и после корректировки конструкторской документации переходят к поточному производству.

Представление процесса проектирования в виде системы позволяет установить общие закономерности направленного мышления конструктора.

Процесс конструирования как система может быть описан блок-схемой:

1.Входной блок;

2.Процессор;

3.Вых. блок;

4.Блок сравнения;

5.Эталон.

Расшифруем эти блоки.

Входной блок 1 - это совокупность факторов, побуждающих систему к действию, т.е. ТЗ. Ограничивающими факторами при этом являются: технические возможности производства, квалификация разработчиков, ограниченный перечень материалов, разрешённых к применению.

Блок процессора 2 - это поиск и генерирования вариантов конструкторских решений и составление конструкторской документации.

Выходной блок 3 - это конкретный вариант решения, описывающий свойства конструкции, её параметры.

Эталонный блок 5 - это идеализированный вариант решения проблемы (идеальная модель конструкции, параметры которой полностью соответствуют ТЗ).

В блоке сравнения 4 сопоставляются качественные и количественные показатели конструкций, соответствующих выбранному варианту и идеальной модели. Сравнение происходит по выбранным критериям. В случае существенных отличий в показаниях, обратная связь побуждает систему к генерированию нового варианта конструктивного решения.

Выход из системы соответствует той ситуации, когда расхождения в блоке сравнения отсутствуют.

5. Методика поиска конструкторского решения

Конкретизируем рассмотренную в предыдущем параграфе схему процесса конструирования в виде расширенной системы блоков.

1.Блок исходных данных;

2.Блок конструктивного анализа;

3.Блок разработки требований к конструкции;

4.Блок выделения структурных уровней конструкции;

5.Блок разработки требований к модулям низшего уровня;

6.Блок разработки пространственной структуры изделия и компоновки;

7.Разработка конструкторской документации модулей;

8.Изготовление модулей;

9.Композиционное решение;

10.Разработка несущей конструкции;

11.Сборка изделий;

12.Электромонтаж изделия;

13.Разработка рабочей документации опытного образца;

14.Изготовление опытного образца;

15.Испытание опытного образца;

16.Блок сравнения;

I.Масштабно-компоновочный эскиз;

II.Чертёж общего вида;

III.Габаритный чертёж;

IV.Чертёж деталей модулей;

V.Конструкторская документация на изготовление модулей;

VI.Крепёжные детали несущей конструкции;

VII.Сборочный чертёж изделия и спецификация;

VIII.Электромонтажный чертёж;

IX.Чертёж жгутов;

X.Рабочая документация для изготовления опытного образца;

XI.Протокол испытаний опытного образца;

XII.Передача конструкторской документации для серийного производства.

Основным документом для разработки является ТЗ, которое входит в блок 1 - исходных данных. В него входит схема электрическая принципиальная с указанием элементной базы и связи между ними, а также конструкторские аналоги. Ограниченными для блока 1 являются технические возможности производства, стандарты, перечень запрещённых к использованию материалов. Блок 2 конструктивного анализа - определяет начальный этап творческой работы конструктора. В результате формируется первоначальный образ конструкции изделия.

Данный этап состоит из следующих стадий:

I. Анализа требований ТЗ

При этом устанавливаются:

1.Назначение изделия;

2.Место установки и условия эксплуатации;

3.Способ сочленения разрабатываемого изделия с объектом установки;

4.Требования к габаритам, форме, массе прибора;

5.Защита от климатических и механических воздействий;

6.Обеспечение тепловой и электромагнитной совместимости;

7.Обеспечение ремонтопригодности;

8.Обеспечение технологичности конструкции;

9.Обеспечение электрической прочности и техники безопасности;

10.Экономические требования.

II. Анализ схемы электрической принципиальной.

Сначала анализ целесообразно проводить на уровне функциональной схемы. Устанавливаются рабочие частоты аппаратуры F, определяются элементы и функциональные узлы, чувствительные к паразитным наводкам, находятся элементы, которые являются источниками помех, и делаются выводы о необходимости экранирования.

Затем выявляется, какие из органов управления и индикации должны быть вынесены на лицевую панель, какие элементы являются наиболее тяжёлыми и требуют дополнительного крепления, какие элементы являются наиболее теплонагруженными.

Определяются элементы внешней электрической связи прибора с другими устройствами и устанавливаются высоковольтные цепи.

На основе анализа схемы уясняется принцип работы прибора.

III. Анализ элементной базы.

Устанавливается соответствие элементной базы заданным характеристикам конструируемого изделия при заданных по ТЗ условиях эксплуатации. В случае несоответствия предлагаются конструктивные меры обеспечения нормального функционирования изделия.

IV. Анализ конструкторских аналогов.

При этом анализе в данной конструкции используются наиболее удачные конструктивные решения. Целесообразно оценить внешнюю компоновку, удобство работы оператора, способы обеспечения ремонтопригодности, методы защиты от коррозии, способы влагозащиты, методы обеспечения теплового режима, выполнения электромонтажа, меры защиты от механических воздействий.

В блоке 3 - разработка требований к конструкции - формируются требования к конструкции по результатам конструкторского анализа.

В блоке 4 - выделение структурных уровней конструкции - происходит расчленение схемы электрической принципиальной на функциональные узлы. Из этих узлов затем создаются модули различных уровней. При этом необходимо использовать принципы:

1.Функциональной законченности;

2.Электромагнитной и тепловой совместимости;

3.Механической совместимости;

4.Технологичности.

1 - Принцип функциональной законченности предлагает включение в состав структурной единицы - модуля - одного или нескольких функциональных устройств для придания ей функциональной завершённости.

2 - Принцип предполагает, что элементы и узлы при их совместной работе не вызывали изменения параметров.

3 - Механическая совместимость предполагает, что в состав структурной единицы нецелесообразно включать одновременно очень тяжёлые и очень лёгкие чувствительные к механическим воздействиям элементы.

4 - Технологичность означает возможность использования автоматического оборудования при сборке и контроле.

Дальнейшие этапы конструирования разветвляются на два пути. С одной стороны определяются форма и габариты всех структурных единиц, их взаимное положение и ориентация и уточняются размеры изделия - в блоке 6 - разработки пространственной структуры изделия.

На этом этапе (блок 6) расчётами оценивается:

1. Электромагнитная совместимость модулей;

2. Величины паразитных наводок;

3. Тепловая совместимость и значения перегревов;

4. Система охлаждения.

В результате на выходе блока 6 появляется масштабно-компоновочный эскиз конструкции изделия.

Если габаритные размеры изделия уже заданы по ТЗ, то это накладывает ограничения на размеры печатных плат и выбора их типоразмера, минимального количества равного (1). Поэтому происходит переход от блока 4 к блоку 5 - разработки требований к модулям. А выбрав размер ячеек в блоке 5 также переходят к блоку 6. Параллельно от блока 5 происходит переход к блоку 7, где разрабатывается конструкторская документация для ячеек - чертёж деталей модулей 4 и документации изготовления модулей 5.

По разработанной конструкторской документации изготавливают модули низших уровней (блок 8).

На этапе композиционной разработки (блок 9) рассматриваются эстетические, эргономические требования и требования к ремонтопригодности. Прорабатываются вопросы размещения органов управления и индикации, решается выбор цветовой гаммы.

Итогом этой работы является изготовление чертежей общего вида (II) и габаритного чертежа (III).

В соответствии с выбранной компоновочной схемой и выбранным типоразмерам корпуса разрабатывается несущая конструкция (блок 10).

Несущие размеры корпусов, приборных стоек, шкафов стандартизованы.

Это:

1. ГОСТ 20052-91. Система унифицированных конструкций агрегатных комплексов.

2. ГОСТ 2538-88. Система унифицированных типовых конструкций. Типы и основные размеры.

Однако, выбрав тот или иной стандартный корпус необходимо доработать элементы передней и задней панели, элементы для увеличения жёсткости конструкции. На данном этапе оценивается прочность и жёсткость конструкции, выполняется проработка герметичности, виброизоляции и изготавливаются чертежи деталей и узлов несущей конструкции (VI).

Далее, (блок 11) выполняются сборочные чертежи узлов, прорабатываются вопросы крепления элементов и модулей на несущих конструкциях, разрабатывается сборочный чертёж изделия (VII).

На 12 этапе осуществляется разработка схемы соединений, монтажных чертежей (VIII), чертежей жгутов для электромонтажа (IX). Это даёт возможность составить рабочую документацию опытного образца (X) (в блоке 13), его изготовить (в блоке 14) и испытать (в блоке 15).

По результатам испытаний составляется протокол испытаний (XI), вносятся коррективы в конструкторскую документацию и выполняется последующая доработка опытного образца, составляется вариант документации (XII) для серийного производства.

Блок 16 выполняет функции сравнения достигнутых результатов конструирования с заданными исходными.

6. Разработка пространственной структуры РЭА

При разработке пространственной структуры изделия ставится две задачи:

1) определение формы и габаритов;

2) задача компоновка (размещение в объёме, отведённом под конструкцию аппаратуры, модулей низших уровней, элементов охлаждения, органов управления и индикации).

Выбор формы и габаритов изделия

Выбор формы прибора определяется следующими факторами:

1) местом установки прибора и удобством его соединения с объектом (кораблём, машиной, самолётом);

2) характером и интенсивностью механических нагрузок, действующих во время эксплуатации;

3) формой узлов, из которых комплектуется аппарат;

4) требованиями унификации и стандартизации;

5) требованиями эргономики и эстетики.

Возможны 4 варианта задачи габаритных размеров:

1) все 3 габаритные размеры изделия уже заданы требованиям ТЗ;

2) в ТЗ заданы 2 размера прибора, соответствующих нормальному ряду корпусов, а третий размер конструктору надо определить;

3) задан один из размеров прибора (например, глубина);

4) в ТЗ размеры не заданы, а требуется определить минимальные размеры прибора.

При неизвестных каких-то размерах аппарата руководствуются следующими соображениями:

а) в современных конструкциях РЭА применяют кассетную и книжную конструкцию, типоразмеры которых известны;

б) в одноблочных аппаратах известны по стандартам размеры конструкционных зон - зон размещения ячеек, коммутации ячеек, размещения органов управления, внешней коммутации.

Методы компоновки

Компоновка - размещение на плоскости или в пространстве различных элементов электронной аппаратуры.

Компоновка - это наиболее сложная и ответственная задача конструирования, которая занимает много времени, т.к. необходимо рассмотреть несколько возможных вариантов и выбрать оптимальный.

При компоновке необходимо учитывать:

1) состав элементной базы;

2) удобство изготовления конструкции и эксплуатации;

3) ремонтопригодность;

4) защита от дестабилизирующих факторов.

Существует несколько принципов и приёмов компоновки, которые можно представить следующим образом:

Функциональный принцип компоновки заключается в объединении части РЭА в конструктивно-законченную единицу, способную выполнять частную задачу, например преобразование или формирование сигнала.

В зависимости от масштаба охвата изделия метод может быть функционально-узловым или функционально-блочным.

Т.к. функциональные узлы (приёмник, передатчик, дешифратор, индикатор и т.д.) имеют различное оформление, габариты, то эта компоновка затрудняет унификацию.

Модульный принцип компоновки заключается в создании узлов, унифицированных по габаритным и установочным размерам. Этот метод возник для унификации электромонтажных и автоматизации сборочных работ. конструирование электрический схема герметизация

Габариты модуля по двум измерениям обычно выбирают одинаковыми и соответствующие габаритам наиболее сложного узла.

Функционально-модульный принцип компоновки стал возможен благодаря появлению микросхем и микропроцессоров, т.к. они представляют собой функционально и конструктивно-законченный модуль.

Т.к. компоновка РЭА выполняется методом последовательных приближений, то применяются ручные приёмы компоновочных работ.

Для оценки укрупнённых характеристик конструкции на ранних стадиях конструирования используются аналитический, а также номографический приёмы.

При аналитической компоновке подсчитывается число элементов каждого вида и ориентировочный объём каждого элемента. Затем с учётом коэффициента заполнения объёма подсчитывают объём конструкции.

Номографическая компоновка реализуется с помощью номограмм, которые приводятся в нормативных документах. Номограмма - чертёж, являющийся особым изображением функциональной зависимости.

Аналитическая и номографическая компоновки выполняются по перечню элементов принципиальных схем.

Недостаток их - не обладают наглядностью и не позволяют получить пространственные компоновочные макеты.

После того как конструктор с помощью аналитической и номографической компоновок получил для себя информацию о возможности скомпоновать конструкцию РЭА, можно с помощью аппликационной или модельной компоновок воспроизвести точный макет будущей конструкции.

При аппликационной компоновке трассировку электрических связей можно осуществить с помощью ЭВМ. (аппликация - воспроизведение схемы с помощью плоских моделей).

Модельная компоновка применяется в том случае, когда разрабатываемая конструкция РЭА имеет сложную форму. Объёмные конструкции, узлы изготавливаются из пенопласта упрощёнными фигурами. Крепление их к несущей конструкции осуществляется клеем. Модельная компоновка позволяет получить пространственные модели сложной формы.

Натурная компоновка - при макетировании предполагается использование реальных конструкций и узлов, благодаря чему получается большая наглядность.

На практике часто натурную компоновку используют вместе с модельной, когда часть блоков заменяются их моделями.

Внутренняя компоновка РЭС

Компоновка РЭА бывает внутренней и внешней. Под внутренней компоновкой понимают конструкторскую задачу оптимального размещения и выбора взаимной ориентации модулей и узлов в объёме конструкции. Под внешней компоновкой понимают размещение органов управления и индикации на лицевой панели и выбор цветовой гаммы.

В качестве критерия оптимальности при компоновке возможна минимизация следующих показателей:

1) Суммарной длины связей между объектами;

2) Величины перегрева на термочувствительном элементе;

3) Уровня паразитной наводки на чувствительные элементы.

Постановку задачи компоновки определим с помощью следующей системы уравнений:

 (1)

где - длина линий связи, соединяющих контактов объекта с контактами объекта .

, (2)

где - суммарный перегрев элемента, - перегрев элемента, обусловленный элементом, - допустимое значение перегрева.

Согласно уравнению (2), суммарная величина наведённого перегрева не должна превосходить заданного значения для объекта.

, , (3)

где - расстояние между условными центрами объектов и ;

, - эквивалентные радиусы объектов в направлении от их условных центров до поверхности объекта вдоль прямой, соединяющей эти центры;

- заданная величина расстояния.

Т.е. условие (3) является условием взаимного пересечения объектов.

, i=1,2…N , (4)

По этому условию область каждого объекта должна принадлежать области прибора .

, , i=1,2…N , (5)

где и - углы относительно неподвижной системы координат, связанной с блоком, которые определяют ориентацию блока .

Т.е. это требование постоянной взаимной ориентации всех комплектующих объектов (элементы должны иметь определенную координату в своей системе координат).

Общие правила внутренней компоновки

При компоновке названными методами рекомендуется придерживаться следующих правил:

1) Следует различать “вход” и “выход” прибора соответственно входным и выходным сигналом, причём “вход” и “выход” следует разнести на максимально возможное расстояние.

2) При компоновке необходимо придерживаться принципа максимальной связности. Т.е. рядом со входом следует располагать узел наиболее с ним связанный, за ним размещается узел, связанный в максимальной степени с предыдущим и т.д. до “выхода” прибора.

Идеальный случай размещения узлов “в линейку”:

Такой случай характерен для высокочастотных приёмно-усилительных устройств.

3) Теплонагруженные узлы целесообразно располагать, возможно, ближе к краям платы, шасси или подложке, на которой выполняется компоновка, а ориентация комплектующих узлов должна обеспечивать наилучшие условия теплообмена.

4) Расстояния между источниками помех и приёмниками помех, а также между теплонагруженными и теплочувствительными элементами следует выбирать, возможно, большими.

5) Центр тяжести прибора желательно располагать ближе к геометрическому центру прибора (или к оси, проходящей через центр).

6) Ориентация конструктивных узлов должна выбираться с учётом возможного направления динамических нагрузок, чтобы не было деформаций и напряжений в элементах конструкции.

7) При выполнении компоновки следует планировать место для элементов ограждения, виброизоляции, герметизации, электромонтажа, крепления.

8) К конструктивным элементам, требующим частого осмотра и замены, должен быть предусмотрен доступ. Это относится в первую очередь к кинематическим узлам.

9)Минимальное расстояние между компонуемыми узлами выбирают с учётом возможного применения автоматических приспособлений для монтажа крепления и электромонтажа (при серийном производстве).

7. Проектирование печатных плат

Основные понятия и критерии

ПП - это элемент конструкции состоящий из диэлектрического основания с нанесёнными на её поверхность плоскими проводниками, в виде участков металлизированного покрытия, которые обеспечивают соединение электрической цепи.

ПП с размещенными на ней навесными элементами и всеми электрическими и механическими подсоединениями называется печатным узлом.

Основание ПП - это листовой диэлектрический материал, вырезанный по определенному размеру и подготовленный для нанесения рисунка.

Рисунок ПП - конфигурация проводникового или изоляционного слоя. Рисунок состоит из контактных площадок и проводников.



Печатный проводник - непрерывная проводящая пленка или площадка в проводящем слое.

Контактная площадка - часть печатного проводника на поверхности, в отверстии или толще основания, используемая для соединения навесных элементов или для контрольных подсоединений. Существует библиотека контактных площадок стандартной формы под различные элементы (ГОСТ 23751-79).

При конструировании ПП необходимо использовать четыре критерия:

1) габаритный;

2) точности рисунка и толщины проводящего слоя;

3) числа слоёв;

4) материала основания.

Выбор габаритов ПП должен исходить из разбиения схемы электрической принципиальной на функциональные узлы. При выборе размера необходимо придерживаться ГОСТ 10317-79 «Печатные платы. Основные размеры»

Размеры ПП меняются следующим образом:

1) шаг 2,5 до 100 мм;

2) шаг 5 мм, 100..350 мм;

3) шаг 10 мм, 350..470 мм.

Отношение сторон не более 1:4.

Предпочтительным является размер 170*75 мм.

Рисунок 17 - Предпочтительные размеры ПП

Этот нелинейный размер из рекомендуемого ряда обладает следующими достоинствами перед большими ПП:

Этот нелинейный размер из рекомендуемого ряда обладает следующими достоинствами перед большими ПП:

1) слабым короблением;

2) хорошим теплообменом в центре платы;

3) высокой ремонтопригодностью;

4) низкими ударными нагрузками.

Наряду с этими достоинствами существуют и недостатки ПП малого размера:

1) требуются дополнительные соединители, что повышает трудоёмкость сборки и снижает надёжность;

2) с увеличением крепёжной арматуры увеличивается масса.

Поэтому в технически обоснованных случаях ряд типоразмеров изменяется в сторону увеличения.

Плотность рисунка и толщина проводящего слоя

В соответствии с ГОСТ 23751-86 для ОПП, ДПП, МПП и ГПП установлены 5 классов точности рисунка:

Таблица 1 - Классы точности печатного рисунка

Класс	Номинальная ширина проводника b, мм	Расстояние между роводниками д, мм
1	0,75	0,75
2	0,45	0,45
3	0,25	0,25
4	0,15	0,15
5	0,1	0,1

1, 2 класс используется для ПП с дискретными радиоэлементами при малой и средней насыщенности.

3 класс используется для ПП с микросборками и микросхемами, имеющие штыревые и планарные выводы, а также безвыводные ЭРЭ, при средней насыщенности.

4,5 класс используется для ПП как и третий класс, но с высокой насыщенностью элементов.

Критерий числа слоев

1 - печатный проводник

2 - основание ПП

3 - монтажное или переходное отверстие

4 - металлизация

МПП



Многослойная ПП состоит из чередующихся диэлектрических слоёв с нанесенным на них рисунком.

Конструктор выбирает число слоёв ПП исходя из решения конкретной задачи. Но необходимо учитывать, что с ростом возможности трассировки в последовательности ОПП>ДПП>МПП растет трудоёмкость изготовления и снижается надёжность.

Критерий материала основания

Материал основания и его толщина оказывают влияние на такие свойства ПП как:

1) жескость;

2) собственная ёмкость;

3) теплопроводность.

Разработан ряд толщин основания ПП 0,1-0,2-0,4-гибкие; 0,8-1,0-1,5-2,0-3,0-жесткие.

Наибольшее распространение в получили толщины 1,0 и 1,5 мм., которые позволяют получение металлизированных отверстий с минимальным диаметром 0,32 и 0,48 мм. соответственно.

Для основания ПП применяют такие материалы как:

1) Фольгированный гетинакс ГФ - 1(2)-35(50);

2) Стеклотекстолит фольгированныйСФ - 1(2)-35(50);

3) Диэлектрик фольгированный для многослойного печатного монтажа. ФДМ - 1(2) ;

4) СПТ - 3 - прокладочная стеклоткань;

5) СФТ - 1(2) - стеклотекстолит фольгированный травящийся;

6) СТФ - 1(2) - стеклотекстолит фольгированный теплостойкий.

8. Электрические характеристики ПП

Отметим, что постоянный ток в печатном проводнике равномерно распределяется по его сечению.

Режим постоянного тока характеризуется сопротивлением проводника:

; ,

где - поперечное сечение проводника;

- длина проводника;

- удельное объемное электрическое сопротивление проводника.

Величина зависти от способа изготовления и колеблется в интервале .

Исходя из требований допустимого прогрева печатных проводников (80°C) экспериментально для них установлена допустимая плотность тока . Для стабильной работы ПП должно выполняться условие:

,

где - ток, протекающий в печатном проводнике.

Расчет на допустимую плотность тока следует проводить для узких проводников с шириной b<1 мм, в которых ток превышает по величине 2А.

При ширине проводника b?1мм и толщине hп?50мкм такой расчет обычно не проводиться.

Требуемая ширина сигнального проводника:

где - удельное сопротивление, Ом*мм²/м;

- ток, А;

- длина проводника, м;

- допустимое падение напряжения (обычно не выше уровня статической помехоустойчивости интегральной микросхемы ~ 0,4…0,5В или 5% от напряжения питания).

Паразитная емкость между проводниками вычисляется по формуле:

;

где - коэффициент, зависящий от ширины проводников и их взаимного расположения;

- длина взаимного перекрытия проводников, см;

- диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между проводниками.

В зависимости от расположения проводников получены графики нахождения коэффициента .

Для расположения 1 и 2 определяется по формуле:

,

так как линии электрического поля проходят через воздух.

А для 3 и 4 случая: , где - диэлектрическая проницаемость материала основания.

Точность указанных формул по вычислению паразитных параметров относительно мала и колеблется от 20% до 30%, поэтому эти величины следует определять с помощью приборов.

Значение паразитных емкостей обычно колеблется в диапазоне: а паразитных индуктивностей .

9. Особенности конструирования ПП

Основой для выполнения чертежей ПП является шаг координатной сетки. Основной шаг: 2,5 мм. Дополнительные шаги: 1,25; 0,625; 0,3125. Координатная сетка позволяет не проставлять все размеры, а определять их по координатам.

При разработке конструкции и выполнении чертежа ПП, необходимо выполнять следующие правила:

1) Центры монтажных и переходных отверстий располагают в узлах (точках пересечения линий) координатной сетки.

2) Если 1-е условие не выполняется, то один вывод располагается в узле сетки, а второй - на горизонтальной или вертикальной линии сетки;

3) Диаметр монтажных отверстий должен быть больше диаметра вывода на некоторую величину: при и при . Для ПП с металлизированными отверстиями необходимо учитывать толщину слоя металлизации ПП, поэтому сверлить отверстия необходимо с диаметром .

4) Для надежного соединения печатного проводника с элементом, вокруг монтажного отверстия делают контактную площадку, чаще всего в виде кольца.

Диаметр контактной площадки в общем виде определяется по формуле:

,

где - диаметр отверстия;

- минимальная радиальная толщина контактной площадки, зависит от плотности монтажа (для повышенной плотности - ; для пониженной - )

- величина, учитывающая разброс межцентрового расстояния (для разных технологий изготовления ПП - ).

5) Планарные (плоские) выводы микросхем требуют выполнения прямоугольных контактных площадок. На контактной площадке для первого вывода делается «ключ»:

6) Проводники на всём их протяжении должны иметь одинаковую ширину. При прохождении проводников через узкие места ширина их уменьшается, а затем вновь увеличивается. Либо при прохождении проводника через «узкое» место между контактами, ширина проводника остается прежней, а контактные площадки подрезаются.

10. Топологическое конструирование ПП

Топологическим конструированием называется размещение ЭРЭ на рабочей площади ПП и трассировка соединений между контактными площадками.

При размещении расставляют навесные элементы на плате, распределяют контакты соединителей и размещают контрольные гнезда.

При трассировке прокладывают линии соединений (проводники между контактными площадками в соответствии со схемой электрической принципиальной).

Критерием наилучшего решения при топологическом конструировании ПП является достижение двух минимумов:

1) длины связей

2) пересечений и переходных отверстий

Несмотря на тесную связь размещения и трассировки, конструирование ПП начинается с предварительного размещения радиоэлементов и ИС.

По нормам компактного размещения ИС, МС, ЭРЭ их располагают рядами.

Рассмотрим ПП представленную на рисунке 18:

где 1 - посадочное место- площадь, занимаемая на ПП навесным элементом;

2 - рабочее место ПП - зона расположения посадочных мест;

3 - краевое поле ПП - предусматривается для технологических целей;

x - ширина краевого поля слева и справа зависит от формы выводов элементов и направляющих. Если они штыревые, то ширина поля равна 5 мм, для планарных- 2,5 мм;

y1 - ширина краевого поля cверху. При отсутствии контрольных гнезд принимается равной 2,5 мм, а с ними - 12,5 мм;

y2 - ширина краевого поля снизу. Определяется в зависимости от типа разъема (соединителя) и колеблется от 17,5 мм до 30 мм;

Lx и Ly - размеры ПП по осям x и y;

lx и ly - размеры посадочного места по осям x и y;

tx , ty - зазор установки элементов по осям x и y;



Рисунок 18 - Топологическое конструирование

Расчет общего числа посадочных мест или навесных элементов при одностороннем размещении производится по формуле:

(1)

где число посадочных мест по оси x () в одном ряду:

(2)

а число посадочных мест по оси y () равно:

(3)

где шаг элементов:

, .

Полученные значения и уменьшают до целого значения. После определения количества элементов возвращаются к трассировке.

При трассировке придерживаются следующих правил:

1) печатные проводники, соединяющие элементы схемы, должны иметь минимальную длину;

2) прокладывать рядом входные и выходные проводники не рекомендуется из-за возникновения паразитных связей;

3) проводники входных и выходных цепей целесообразно разделить экранирующими проводниками или шинами с нулевым потенциалом;

4) цепи земляных шин, по которым текут максимальные токи, следует выполнять максимальной ширины;

5) печатный проводник, проходящий между двумя контактными площадками следует располагать так, чтобы его ось была перпендикулярной линии, соединяющей центры отверстий;

6) в узких местах допускается подрезка контактных площадок;

7) при трассировке проводников необходимо учитывать то, что выполнение её должно быть без резких перегибов и острых углов.

11. Методы изготовления ПП

Субтрактивный метод (от лат. «отнимание») в настоящее время самый распространенный, лучше освоен технологически. В качестве исходного материала используют одно- или двухсторонние фольгированные диэлектрики (в основном фольгированные медью).

Рисунок печатного проводника наносится на фольгированную основу в виде защитной резистивной пленки, а непокрытые резистом места удаляются с помощью травления.

Аддитивные методы (от лат. «прибавлять»)

При этом методе исходным является нефольгированный диэлектрик, на поверхность которого наносится желаемый рисунок печатной платы.

Преимущества аддитивного метода по сравнению с субтрактивным:

• Более высокая надежность, так как проводники и металлизация отверстий получаются в едином гальваническом цикле;

• Однородность соединений между проводниками и металлизацией отверстий;

• Отсутствие подтравливания;

• Отсутствие гальванического защитного покрытия при травлении;

• Экономия меди и химикатов;

• Упрощение технологического процесса.

Существуют два основных варианта аддитивного метода получения ПП:

- химический

- химико-гальванический

При химическом методе слои получают на основе восстановительного соединения, при этом слои получаются до 10 мкм при удовлетворительных механических и физических свойствах покрытия. Недостатки - высокая стоимость изделий (в 3-4 раза дороже, чем при гальваническом осаждении) и низкая скорость осаждения.

Чтобы устранить недостатки химического метода часто обращаются к комбинированным методам (химико-гальванический метод). При этом на поверхности нефольгированного диэлектрика сначала химически получают связанный с подложкой слой меди толщиной до 5 мкм, который при последующем селективном гальваническом наращивании служит рисунком печатных проводников, а по окончании наращивания вытравливается, где это необходимо. Недостаток метода - неравномерная толщина покрытия в отверстиях из-за неравномерного распределения плотности тока гальванических ванн и возникновение переходной зоны между химически восстановленной и гальванически осажденной медью.

12. Методы изготовления ОПП

Чаще всего ОПП изготавливают субтрактивным химическим методом, который реализуется в двух вариантах:

- негативном;

-позитивном.

В обоих методах используют односторонне фольгированный диэлектрик, на который после тщательной зачистки медной поверхности наносится, на основе фоторезистов, позитивный или негативный рисунок печатной платы.

Позитивный метод

При данном методе непокрытые защитным слоем - рельефом участки медной фольги удаляются травлением.

Трафаретная печать:

Резистивное покрытие, устойчивое к травлению, переносится на фольгу через сетчатый трафарет. Толщина слоя резиста 10-30 мкм. Недостаток - невысокая точность выполнения рисунка.

Метод фотопечати:

Поверхность фольгированного диэлектрика покрывают позитивным светочувствительным или негативным фоторезистом, на который копируют рисунок расположения проводников. Метод фотопечати по отношению ко всем другим методам создания защитных рельефов обеспечивает самую высокую точность, а также лучшую четкость и резкость контуров.

Метод офсетной печати:

Используется редко и в основном для больших серий, так как используется дорогостоящее оборудование. Достигаемое качество и точность рисунка ПП ниже, чем при методе фотопечати.

Негативный вариант химического способа

После создания защитного рельефа производится гальваническое покрытие едных поверхностей, незащищенных фоторезистом. Точность получения рисунка выше при данном методе, но он дороже.

Методы изготовления ДПП

В основе технологии изготовления ДПП с переходными соединениями методом травления фольги (субтрактивный метод) лежат те же процессы, что и при изготовлении ОПП, дополненные созданием переходных соединений.

Для электрического соединения рисунков проводников ДПП применяют металлизацию отверстий. Ее получают комбинированным химико-гальваническим методом.

Особенности технологии:

1. Материал заготовки - двухсторонний фольгированный стеклотекстолит с толщиной фольги 8,12,35,50 мкм.