Работу выполнил

Студент гр. № С448

А.А. Артюхов

Руководитель

Преподаватель Е.Г.Зубок

Санкт-Петербург2017

ВВЕДЕНИЕ

Являясь составной частью процесса разработки вычислительного устройства, конструирование представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных работ, при выполнении которых необходимы учет разносторонних требований к конструкции машины, знание сопротивления материалов, теории надежности и других теоретических и прикладных дисциплин.

Рост интеграции микросхем ставит перед разработчиками электронно-вычислительной аппаратуры ряд задач, решение которых зависит, прежде всего, от полноты учета всех факторов, влияющих на процесс обработки и хранения информации. Эти факторы имеют различную физическую природу. При разработке конструкции вычислительного устройства требуется решение задач противодействия климатическим, механическим и радиационным воздействующим факторам, обеспечения теплового режима работы отдельных элементов и устройств в целом, обеспечения помехоустойчивости и нормальных электрических режимов работы, обеспечения механической прочности, обеспечения надежной и безопасной работы вычислительного устройства, обеспечения нормальной работы оператора.

В курсовом проекте разрабатывается узел устройства выполнения логических операций для работы в автомобильных условиях эксплантации.

1. КОНСТРУКТОРСКИЙ АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

Условия эксплуатации вычислительного устройства имеют различную физико-химическую природу и изменяются в весьма широких пределах. Факторы, воздействующие на работоспособность устройства, разделяют на климатические, механические и радиационные. На элементы в зависимости от условий их эксплуатации каждый фактор воздействует по-разному. На элементы воздействуют: частота вибраций, многократные удары, влажность и температура.

Данный узел преобразования адресов используется в автомобильных условиях эксплуатации. Исходные данные для проектирования:

- рабочая частота - 50 МГц;

- напряжение питания - 5В±5%;

- диапазон рабочих температур - -10?50 C;

- частота вибраций - 1?200 Гц;

- многократные удары - 15 g;

- относительная влажность - 93%;

- класс точности - 4.

Автомобильные условия эксплантации:

?1=1,34

?2=1,5

?3=1

Специфика автомобильных вычислительных устройств предопределяет повышенную влажность, а так же в основном вибрации и удары.

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

При создании печатных плат на интегральных микросхемах необходимо провести следующие этапы разработки:

? выбор типа корпуса ИМС;

? выбор типа печатной платы;

? выбор материала основания печатной платы;

? выбор шага установки ИМС;

? выбор габаритных размеров и конфигурации печатной платы.

2.1 Выбор типа корпуса ИМС

Корпуса ИМС предназначены для защиты микросхемы от климатических и механических воздействий, экранирование от помех, а так же унификация исходного конструктивного элемента по габаритным и установочным размерам.

Корпуса ИМС различают по конструктивно? технологическому признаку, такие как:

? пластмассовые

? керамические

? металлокерамические

? металлостеклянные

? металлополимерные

Каждый вид корпуса характеризуется габаритными и присоединительными размерами, числом выводов и расположением их относительно плоскости основания корпуса (планарные выводы) или быть перпендикулярными ему (штыревые выводы).

Каждому выводу корпусов любого типа присваивается номер его позиции. На крышке корпуса в определенной области выполняется ключ микросхемы, указывающий начало отсчета выводов.

В соответствии с выбранной серией К555 и заданными автомобильными условиями эксплуатации, возможно использование прямоугольных пластмассовых корпусов с 14 выводами и с16 выводами типов 201.14-1, 238.16-1.

Рисунок 1 - Корпус ИМС типа 201.14-1

Рисунок 2 - Корпус ИМС типа 238.16-1

2.2 Выбор типа печатной платы

Печатные платы - основа печатного монтажа любой ЭА, при котором микросхемы, полупроводниковые приборы, ЭРЭ и элементы коммутации устанавливаются на изоляционное основание с системой токопроводящих полосок металла (проводников), которыми они электрически соединяются между собой в соответствии с электрической принципиальной схемой.

В ЭА печатные платы применяются практически на всех уровнях конструктивной иерархии: на нулевом - в качестве основания гибридных схем и микросборок, на первом и последующих - в качестве основания, механически и электрически объединяющего все элементы, входящие в схему электрическую принципиальную ЭФ и ее узлов.

Государственным стандартом предусмотрены следующие типы печатных плат:

- односторонняя печатная плата (ОПП);

- двусторонняя печатная плата (ДПП);

- многослойная печатная плата (МПП);

- гибкая печатная плата (ГПП);

- гибкий печатный кабель (ГПК).

Односторонняя печатная плата представляет собой основание, на одной стороне которого выполнен проводящий рисунок, а на другой стороне размещаются электрорадиоэлементы и интегральные микросхемы. Для соединения выводов навесных элементов с печатными проводниками служат монтажные отверстия. Металлизированные контактные отверстия обеспечивают более надежное соединение. Однако ОПП с неметаллизированными отверстиями более просты в изготовлении.

Двусторонняя печатная плата имеет одно основание, на обеих сторонах которого выполнены проводящие рисунки и все требуемые соединения. Переход токопроводящих линий с одной стороны платы на другую осуществляется металлизированными монтажными отверстиями. С помощью такой можно выполнять более сложные схемы, чем с помощью ОПП. В сравнении с многослойной ПП двусторонняя является более экономичной.

Многослойная печатная плата состоит из чередующихся слоев изоляционного материала с проводящими рисунками на двух и более слоях, между которыми выполнены требуемые соединения.

Гибкая печатная плата имеет гибкое основание. По расположению проводников она аналогична обычной двусторонней печатной плате.

Гибкий печатный кабель состоит из тонких полосок проводящего материала, расположенных параллельно и заклеенных между двумя пленками изоляционного материала.

Из выше перечисленных печатных плат выбрана двусторонняя печатная плата

2.3 Выбор материала основания печатной платы

При проектировании и изготовлении ПП большое значение имеет правильный и тщательный выбор используемого материала.

Основания ПП изготавливают из изоляционного материала, который должен хорошо сцепляться с металлом проводников, иметь диэлектрическую проницаемость не более семи и малый тангенс угла диэлектрических потерь, обладать достаточно высокой механической и электрической прочностью, допускать возможность обработки резанием и штамповкой, сохранять свои свойства при воздействии климатических факторов, а также в процессе создания рисунка схемы и пайки. Таким требованиям удовлетворяет гетинакс, стеклотекстолит и некоторые другие фольгированные и нефольгированные материалы. При выборе материала основания ПП неоходимо обратить внимание на следующее: предполагаемые механические воздействия (вибрации, удары, линейное ускорение и т.п.); класс точности ПП; реализуемые электрические функции; быстродействие; условия эксплуатации; стоимость.

В зависимости от основы и пропиточного материала различают несколько типов материалов для диэлектрической основы ПП:

- фенольный гетинакс, представляющий бумажную основу, которая пропитана фенольной смолой;

- эпоксидный гетинакс, представляющий материал на такой же бумажной основе, как и фенольный гетинакс, но пропитанный эпоксидной смолой;

- эпоксидный стеклотекстолит, представляющий материал на основе стеклоткани, который пропитан эпоксидной смолой (материала сочетаются высокая механическая прочность и хорошие электрические свойства);

Как правило, слоистые пластики на фенольном, а также эпоксидном гетинаксе не используются в платах с металлизированными отверстиями. В таких платах на стенки отверстий наносится тонкий слой меди.

В связи с тем, что температурный коэффициент расширения меди в 6…12 раз меньше, чем у фенольного гетинакса имеется определенный риск образования трещин в металлизированном слое при термоударе, которому подвергается ПП в машине для групповой пайки.

Трещина в металлизированном слое на стенках отверстий резко снижает надежность соединения. В случае применения эпоксидного стеклотекстолита отношение температурных коэффициентов расширения примерно равно 3, тем самым снижается риск образования трещин в отверстиях.

ПП из эпоксидного стеклотекстолита характеризуются меньшей деформацией, чем ПП из фенольного и эпоксидного гетинакса. Последние имеют степень деформации в 10 раз больше, чем стеклотекстолит.

Из сопоставления характеристик оснований следует, что основания из эпоксидного стеклотекстолита превосходят основания из гетинакса, уступая гетинаксу только в стоимости.

Следовательно, для изготовления ПП в качестве материала основания выбирается эпоксидный стеклотекстолит.

Т.к. в качестве метода изготовления ПП выбран аддитивный, то необходимо использовать нефольгированный диэлектрик. Он имеет на поверхности специально нанесенный адгезивный слой толщиной 50-100 мкм (например, эпоксикаучуковой композиции), который служит для лучшего сцепления наносимой химической меди с диэлектриком и повышает качество поверхности диэлектрика, способствующее лучшему формированию проводящего рисунка.

Таким образом, для изготовления ПП полуаддитивным способом выбирается стеклотекстолит с двусторонним адгезионным слоем - СТЭК-2-1 ТУ 16-503.201-80, где СТЭК - стеклотекстолит с адгезионным слоем;

2 - двусторонний;

1 - толщина стеклотекстолита 1 мм.

печатный плата микросхема конфигурация

2.4 Выбор шага установки ИМС

Чем плотнее будут располагаться корпуса микросхем на плоскости печатной платы, тем сложнее автоматизировать режим их работы, тем более жестким будет температурный режим их работы, тем больший уровень помех будет наводиться в сигнальных связях. И наоборот, чем больше расстояние между микросхемами, тем менее эффективно используется физический объем машины, тем больше длина связей. Поэтому при установке микросхем на печатную плату следует учитывать все последствия выбора того или иного варианта их размещения.

От правильного расположения корпусов микросхем на печатной плате (ПП) элементов первого уровня конструктивной иерархии - ячейках, модулях, типовых элементов замены - зависят такие параметры ЭВА, как габариты, масса, надежность работы, помехоустойчивость.

Выбор шага установки микросхем на ПП определяется:

- требуемой плотностью компоновки микросхем в аппаратуре;

- температурным режимом работы;

- методом разработки топологии ПП;

- сложностью схемы электрической принципиальной

- конструктивными параметрами корпуса микросхемы.

Вне зависимости от типа корпуса шаг установки микросхем рекомендуется принимать кратным 2,5 мм.

В курсовом проекте горизонтальный и вертикальный шаг и установки микросхем выбраны равными 20 мм и 25 мм соответственно. Шаг установки и конфигурация печатной платы показаны на рисунке3.

2.5 Выбор габаритных размеров и конфигурации печатной платы

Габаритные размеры печатных плат должны соответствовать ГОСТ 10317-79 при максимальном соотношении 5:1. Рекомендуется разрабатывать печатные платы простой прямоугольной формы. Конфигурацию, отличную от прямоугольной формы, следует применять только в технически обоснованных случаях.

Для 4 класса точности максимальный размер двусторонней печатной платы и рабочего поля групповой заготовки не должен превышать 180180 мм. Необходимо отметить, что при увеличении размера плат снижается их жесткость и виброустойчивость.

Толщина печатной платы определяется толщиной исходного материала и выбирается в зависимости от используемой элементной базы и действующих механических нагрузок. Предпочтительными значениями номинальных толщин печатной платы являются 0,8; 1,0; 1,5; 2,0 мм. Для полевых транспортных условий эксплуатации достаточной толщиной будет 1 мм.

Габаритные размеры печатной платы узла преобразования адресов представлены на рисунке3.

Рисунок 3 - Чертёж габаритных размеров и шага установки ИМС

3. ТОПОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Принципиальная задача размещения элементов и проводников между ними может быть решена вручную. Однако для этого потребуется много конструкторов, длительное время трассировки проводников, скрупулезная проверка и исправление ошибок. Также задача усложняется при необходимости учёта специфичности отдельных проводников, например, особой чувствительности к перекрестным помехам, необходимости выполнения минимальной длины и т.д.

Высокие достижения в области вычислительной техники позволяют решать многие задачи автоматически, но не без участия оператора вычислительного устройства. Вычислительное устройство может решать не все задачи, например, оптимальное размещение элементов на ПП, проверка на наличие ошибок трассировки соединений.

Тем не менее, рост сложности конструкции устройств неизбежно ведет к росту сложности ПП как основы для осуществления электрических связей между составляющими аппаратуру элементами. Увеличение числа и типов корпусов ИМС усложняет электрическую схему машины, насыщает ее электрическими проводниками. Трассировка этих проводников в одной, двух или нескольких плоскостях (для одно-, двух- и многослойных ПП) представляет собой сложную математическую и инженерную задачу, решение которой на современном этапе развития техники невозможно без использования мощных вычислительных средств.

3.1 Размещение элементов на печатной плате

Размещение навесных элементов на печатной плате можно осуществлять следующим образом:

- схема электрическая принципиальная разбивается на функционально связанные группы, составляется таблица соединений, производится размещение навесных элементов в каждой группе;

- группа элементов, имеющая наибольшее количество внешних связей, размещается вблизи соединителя;

- группа элементов, имеющая наибольшее число связей с уже размещенной группой навесных элементов, размещаются рядом;

- при необходимости производится корректировка отдельных навесных элементов или замена адресов связей.

Размещение элементов на ПП осуществляют в соответствии с ОСТ 4ГО.010.030 и ОСТ 4ГО.010.003. Размещение элементов при конструировании ПП под автоматическую установку элементов производят в соответствии с ОСТ 4.091.124-79. Размещение навесных элементов на ПП следует согласовывать с конструктивными требованиями на печатный узел и устройство в целом.

При расположении навесных элементов необходимо предусматривать:

- обеспечение основных технических требований, предъявляемых к аппаратуре (автоматизированную сборку, пайку, контроль);

- обеспечение высокой надежности, малых габаритных размеров и массы, быстродействия, теплоотвода, ремонтопригодности.

Выбор варианта установки элементов на ПП производят в соответствии с заданными условиями эксплуатации и другими техническими требованиями к конструкции печатного узла и аппаратуры. Микросхемы на ПП располагают линейно-многорядно, однако допускается их размещение в шахматном порядке. Такое расположение корпусов микросхем позволяет автоматизировать процессы сборки и контроля, с большей эффективностью использовать полезную площадь ПП и прямоугольную систему координат для определения места расположения корпусов.

Необходимо выполнить рациональное размещение навесных элементов с учетом:

- элегических связей и теплового режима с обеспечением минимальных значений длин связей;

- количества переходов печатных проводников со слоя на слой;

- паразитных связей между навесными элементами.

Кроме этого, если возможно, то целесообразно выполнить равномерное распределение масс навесных элементов по поверхности платы с установкой элементов с большей массой вблизи мест механического крепления платы.

При необходимости рекомендуется устанавливать навесные элементы на теплоотводящие металлические шины или радиаторы.

Корпуса микросхем со штыревыми выводами устанавливают только с одной стороны ПП. С двух сторон ПП разрешается монтировать микросхемы только в корпусах с планарными выводами. Это объясняется тем, что монтаж штыревых выводов, как правило, производят в сквозные металлизированные отверстия, причем концы выводов выступают на обратной стороне платы. Плоские планарные выводы можно припаивать к металлизированным контактным площадкам с обеих внешних сторон ПП. На ПП узла преобразования адресов устанавливаются корпуса микросхем со штыревыми выводами только с одной стороны, линейно-многорядно. Размещение элементов на ПП показано на рисунке 4.

Рисунок 4 - Чертёж размещения элементов на печатной плате

3.1.1 Выбор типа электрического соединителя

Разъемные соединения нашли широкое применение в конструкциях узлов. Особенно велика их роль в устройствах из нескольких узлов, где от степени использования разъемов зависят такие характеристики, как технологичность при сборке и настройке и ремонтоспособность при эксплуатации. Наиважнейший узел разъемного соединения - контактная пара, состоящая из двух частей: штыря и гнезда. В рабочем положении для создания электрического контакта одна из этих частей (штырь) должна входить в другую (гнездо). Основное требование, предъявляемое к контактной паре, - обеспечение высокой надежности соединения при воздействии допустимых механических и климатических факторов. Этот параметр зависит от:

- типа контактирования;

- материалов контактной пары и их покрытий;

- точности изготовления и чистоты обработки;

- величины контактного усилия.

Кроме параметра надежности, контактная пара характеризуется:

- переходным сопротивлением;

- максимальным рабочим током;

- нестабильностью переходного сопротивления;

- максимальной частотой тока;

- усилием соединения и разъединения контактов;

- износоустойчивостью (предельным числом сочленений);

- допустимыми условиями эксплуатации.

Электрический соединитель необходимо выбирать исходя из условий эксплуатации, в которых будет работать узел. Также надо учитывать количество сочленений, ток, проходящий через разъем и т.д.

В узле преобразования адресов для полевых транспортных условий эксплуатации выбран прессованный гибкий кабель.

Прессованный гибкий кабель представляет собой совокупность одинаковых параллельных проводников, запрессованных в гибкий диэлектрик. Их рекомендуют устанавливать с одной стороны платы. Зачищенные проводники кабелей могут быть запаяны в металлизированные отверстия платы (предпочтительнее), припаяны к печатным контактным площадкам или навиты на металлические штыри.

В данном курсовом проекте шаг расположения металлизированных отверстий кратен 2,5 мм. Для обеспечения надежности соединения кабели прикрепляются к плате с помощью прижимной планки. Схема гибкого прессованного кабеля показана на рисунке 5:

Рисунок 5 - РазъёмСНП58-32/94x9В-23-1

3.1.2 Критерии оптимального размещения элементов

Высокая плотность размещения элементов на ПП создает большие трудности при реализации соединений между элементами.

Задача размещения элементов на ПП заключается в определении оптимального варианта их расположения на плоскости согласно следующим критериям:

- минимум внутрисхемных пересечений (минимум металлизированных отверстий);

- минимальная длина линий связи;

- минимум изгибов проводников;

- максимум проводников простейшей конфигурации (прямых проводников);

- максимально возможное равномерное распределение проводников на ПП.

Перечисленные критерии размещения позволяют в той или иной мере достичь основных целей размещения:

- максимального снижения искажений логических сигналов;

- максимального облечения последующей трассировки соединений.

3.2 Трассировка соединений

Задачу получения схемы соединения элементов можно разделить на четыре подзадачи:

- установление списка проводников;

- распределение проводников по слоям;

- упорядочение проводников;

- размещении проводников.

Задача трассировки проводников в одной или нескольких плоскостях сводится к полному перебору всех возможных вариантов размещения соединяемых элементов и нахождения оптимального. Критерием оптимальности является минимальная сумма всех длин, размещаемых на плате печатных проводников.

Размещение проводников заключается в определении пути соединения между двумя несвязанными соединениями. Этот этап проектирования является самым трудоемким. Порядок трассировки:

- определяем местоположение разъема;

- выбираем число горизонтальных и вертикальных рядов;

- у разъема размещаем те элементы, которые имеют наибольшее количество с ним связей;

- остальные элементы размещаем так, чтобы между ними длина линий была минимальной;

- проводники шин «питание» и «общий» нельзя переводить с одной стороны на другую;

- допускается элементы устанавливать в шахматном порядке;

- развязка в цепи питания по низкой частоте устанавливается в начале цепи питания «плюс»;

- конденсаторы по высокой частоте рекомендуется устанавливать в начале и конце горизонтального ряда.

Низкочастотные помехи, проникающие в схему по шинам «питание» и «общий» должны блокироваться с помощью конденсаторов, включенных между выводами шин «питание» и «общий» непосредственно с места начала проводника печатной платы.

Конденсаторные развязки, установленные в непосредственной близости от микросхемы образуют цепь низкого сопротивления высоким частотам.

Расчет элементов печатного монтажа

Для расчета рисунка ПП необходимо подготовить следующие исходные данные:

- класс точности;

- максимальные значения диаметров выводов навесных элементов, устанавливаемых на плату;

- размер большой стороны платы;

- значения минимальных размеров основных параметров элементов конструкции ПП в узких местах.

3.2.1 Расчёт элементов печатного монтажа

Таблица 1 - Расчёт элементов проводящих рисунка ПП.

d=dэ+r+|?dн.о| (1)

где dэ - максимальное значение диаметра вывода навесного элемента;

r - разностьм/у минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода элемента, рекомендуется r=0,2;

?dн.о - нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстий.

t=tм.д.+|?tн.о| (2)

где tм.д. - минимально допускаемая ширина проводника

?tн.о - нижнее предельное отклонения ширина проводника

S=Sм.д+?tв.о, (3)

гдеSм.д - минимальное допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка.

?tв.о - предельное отклонение ширины проводника .

D=(d+?dв.о)+2bн+?tв.о+(?d2+?p2+?t2н.о)1/2, (4)

Где bн - ширина гарантийного пояска

?dв.о; ?tв.о; ?d;?p;?tн.о - приведёные значения в таблице

l=(D1+D2)/2+*tn+S(n+1)+?l, (5)

гдеn-количество проводников

?l- допуск

t?(Pимс/0.01U2пит)*(р/hф)[m*n(n+1)lг+((m2+3m)/2)*lв], (6)

где Uпит - напряжение источника питания, В;

Pимс - мощность, потребляемая каждой ИМС, Вт;

hф - толщина фольги, мм;

p - удельное электрическое сопротивление p=0,017;

m - число ИМС в горизонтальных рядах, m=7 ;

n - число ИМС в вертикальных рядах, n=3;

lг - шаг установки ИМС в горизонтальном ряду, lг=30;

lв - шаг утановки ИМС в вертикальном ряду, lв=15;

1)Расчёт диаметров монтажных и переходных отверстий выполняется по формуле 1.

d=0,5+0,2+|-0,1|=0,8

2)Расчёт номинального значения ширины проводника по формуле 2.

t=0.15+|-0.05|=0.2

3) Расчёт номинального значения расстояния между соседними элементами проводящего рисунка по формуле 3.

S=0.15+0.05=0.2

4)Расчёт минимального диаметра контактной площадки по формуле 4.

D=(0,8+0.05)+2*0.05+0.05+(0.082+0.202+(-0.05)2)1/2

=0.85+0.1+0.05+0.221=1.221

5) Расчёт минимального расстояния для продолжения n-го количества проводников, между двумя контактными площадками по формуле 5.

l=1.221-0.2*1+0.2*2+0.03=1.851 (1 проводник проводить можно)

l=1.221-0.2*2+0.2*3+0.03=2.251 (2 проводник проводить можно)

6) Расчёт ширины проводников шин «Питания» и «Общий» по формуле 6.

t?(0,368 /0.01*92)*(0,017/0,035)[5*3*(3+1)*0,3+((52+15)/2)*0,15]=

=0.220*21=4.6

Рисунок 6 - Плата в разрезе

Hн.с - общая суммарная толщина печатной платы;

hп - толщина химико-гальванического покрытия;

h - толщина проводящего рисунка;

L' - расстояние между центрами (осями) элементов конструкциипечатной платы;

Hп - толщина печатной платы;

Hм - толщина основания печатной платы (изоляционного материала);

Hф - толщина фольги;

b - гарантийный поясок;

D - диаметр контактной площадки;

d - диаметр отверстия;

S - расстояние между краями соседних элементов проводящегорисунка;

t - ширина печатного проводника.

4. КОНСТРУИРОВАНИЕ СБОРОЧНОГО УЗЛА

Сборочный чертеж должен содержать:

- изображение сборочной единицы, дающее представление о расположении и взаимосвязи составных частей, соединяемых по данном чертежу, и обеспечивающее возможность осуществления сборки и контроля сборочной единицы (допускается на сборочных чертежах помещать дополнительные схематические изображения и расположения составных частей изделия);

- размеры, предельные отклонения и другие параметры и требования, которые должны быть выполнены или проконтролированы по данному сборочному чертежу (допускается указывать в качестве справочных размеры деталей, определяющие характер сопряжения; характер сопряжения и методы его осуществления, если точность сопряжения обеспечивается незаданными предельными отклонениями размеров, а подбором, подгонкой; сведения о выполнении неразъемных соединений);

- номера позиций составных частей, входящих в изделие;

- габаритные размеры изделия;

- установочные, присоединительные и другие необходимые справочные размеры;

- координаты центра масс (при необходимости).

При минимальном количестве проекций сборочный чертеж печатного узла должен давать полное представление о навесных ЭРЭ, ИМС и других деталей и их расположении и установке на ПП.

При указании установочных и присоединительных размеров должны быть нанесены:

- координаты расположения;

- размеры с предельными отклонениями элементов, служащих для соединения с сопрягаемыми изделиями;

- другие параметры, например количество контактных пар электрического соединителя.

4.1 Выбор и обоснование конструкции сборочного узла

Для устройств, подверженных повышенному воздействию вибрации и ударов, необходимо предусматривать меры, исключающие выпадение ячеек из разъема во время работы. Примером таких мер может быть рукоять.Это играет значительную роль при использовании ЭА в автомобильных условиях эксплуатации, а так же для удобство ремонта и технического обслуживания.

Для печатной платы узла устройства умножения выбрана конструкция ячейки с рукоятью представленная на рисунке 7.

Рисунок 7 - Конструкция печатной платы

4.2 Расчет коэффициента заполнения сборочного узла по площади

- количество ИМС (L);

- занимаемая ИМС площадь на ПП (Sимс);

- общая площадь, занимаемая всеми ИМС на ПП (Sимс.общ);

- количество навесных элементов (N);

- площадь, занимаемая навесным элементом (Sн.э);

- общая площадь, занимаемая навесными элементами (Sн.э.общ);

- площадь разъема (Sразъем);

- площадь деталей конструкции (Sконстр);

- площадь проводящего рисунка (Sрис);

- площадь сборочного узла (Sсб.узел).

Sимс=a*b

Sимс- площадь интегральной микросхемы

а - длина интегральной микросхемы

b- ширина интегральной микросхемы

Sимс1= 19,5*7,4=144,5

Sимс2= 22*7,4=162,8

M1 - количество элементов типа КР555ЛА3

M2 - количество элементов типа КР555ТР2

Sимс.общ=Sимс1*M1+Sимс1*M2+Sимс1*M4+Sимс2*M2

Sимс.общ - общая площадь интегральных микросхем

Sимс.общ144,5*8+162,8*8=2458,4

Sнэ = a*b

Sнэ- площадь навесного элемента

а - длина навесного элемента

b- ширинанавесного элемента

Sнэ = 4,6*7,5=11,5

Sнэ общ. = Sнэ* N

Sнэ общ.-общая площадь навесных элементов

N - количество навесных элементов

Sнэ общ. = 11,5*2=23

Sразъёма = a*b

Sразъёма - площадь разъёма

а - длина разъёма

b- ширина разъёма

Sразъёма = 90*13,7=1233

Sразъёма общ.=Sразъёма*N

Sразъёма общ. - общая площадь разъёмов

N - количество разъёмов

Sразъёма общ.=1233*2=2466

Sконт.площ.=?*R2

Sконт.площ. - площадь контактной площадке

R-радиус отверстия

Sконт.площ.=3,14*0,82=2,0096

Sобщ.конт.площ.=Sконт.площ.*K

Sобщ.конт.площ. - общая площадь контактных площадок

K - количество контактных площадок

Sобщ.конт.площ.=2,0096*441=886,2336

Sобщ.пров=a*b

Sобщ.пров - общая площадь проводников

а - общая длина всех проводников

b- ширина проводника

Sобщ.пров= 0,2*3212=642,5

Sустройство= а*b

Sустройство - площадь платы на которой размещается устройство

а - длина платы

b- ширина платы

Sустройство=88,1*113,1=9964

Sрисунка=Sимс.общ +Sнэ общ. +Sразъёма общ.+Sобщ.конт.площ.+Sобщ.пров

Sрисунка - площадь рисунка на плате

Sрисунка=2458,8+23+2466+886,2+642,5=6476,1

K=

K- коэффициент заполнения по объёму

K==0,65

4.3 Тепловой расчет сборочного узла

Исходные данные для расчета:

Мощность, потребляемая блоком 0,17854 Вт

Длинна блока 25 мм

Ширина блока 35 мм

Высота блока 55 мм

Коэффициент заполнения блока по объему 0,4

Давление воздуха 0,1 МПа

Температура воздуха 25 Град.,C

Количество перфорационных отверстий 4 0

Площадь одного перфорационного отверстия 100 мм**2

Количество теплонагруженных элементов 18

Таблица 2 - Расчёт теплового режима устройства

Температура корпуса блока 26,09

Температура нагретой зоны 27,10

Средняя температура воздуха в блоке 26,26

Температура устройства находиться в рабочем состоянии.

5. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЯ ТЕХПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Полуаддитивный метод изготовления печатной платы был выбран по причине использования стеклотекстолита как основания печатной платы, а так же по причинам следующих достоинств:

- малое боковое подтравливание, т.к. малое время травления

- высокая разрешающая способность

- хорошее сцепление фольги с диэлектриком

- высокая прочность металлизации

При следующих недостатках:

- высокая стоимость исходной заготовки

- возникновение переходной зоны между химической и гальванической медью

- высокая токсичность удаляемого поверхностного слоя

При таком методе изготовления платы, материал проходит следующие этапы:

1) Резка заготовок, сверление отверстий подлежащих металлизации;

Нарезка заготовки осуществляется на фрезеровочном станке. Заготовку размечают согласно чертежу, с припуском 5 мм с каждого края. Для обрезки применяется дисковая фреза. Она обеспечивает более гладкий срез, но при работе необходимо охлаждение заготовки сжатым воздухом. Так же необходимо предусмотреть отсос образующейся пыли.

Вскрытие базовых отверстий производиться на кривошипных прессах путём пробивания отверстий штампом необходимого размера. После пробивки необходимо проверить диаметр сделанных отверстий.

2) Подготовка поверхности под металлизацию, обработка кислотой, в результате чего на поверхности образуются микро впадины, обеспечивающие хорошую адгезию металлизированного слоя;

Подготовка поверхности диэлектрика заключается в удалении посторонних остатков в отверстиях, обезжиривание и травление поверхности заготовки

3) Химическоемеднение платы;

Химическая металлизация заключается в проведении двух процессов: сенсибилизация и активации.

4) Сенсибилизация и активация всей поверхности;

Сенсибилизация осуществляется в растворе двухлористого олова, соляной кислоты и металлического олова в течении5…7 минут с последующей промывкой в дистиллированной воде. В результате на поверхности стены отверстия абсорбируется плёнка ионов двухлористого олова.

Активация проводиться в водном растворе двухлористого палладия и аммиака в течение 5…7 минут. Металлический поладит служит центром кристаллизации при химическом меднении. Для сохранения технического цикла и улучшения качества механизации используют совмещённый активирующий раствор, в состав которого входят соли палладия и олова.

5) Нанесение защитного рисунка на пробельные места;

При нанесении рисунка монтажа пробельные места покрывают защитным слоем, а на оставшиеся открытые проводники, контактные площадки и отверстия в дальнейшем осаждается гальваническая медь и защитный слой металла, предохраняющий медь от травления.

6) Гальваническоемеднение схемы;

Гальваническоемеднение осуществляется в ваннах, в растворах сернокислого, борфториста - водородного и других электрощитов. При этом наращивается слой меди толщиной 35-40 микрометров.

7) Гальваническое покрытие сплавом олова-свинец;

Нанесение защитного слоя из сплава олово-свинец производиться с целью предохранения проводящего рисунка при травление платы и обеспечения хорошей пайки.

8) Удаление защитного рисунка;

Удаление защитного слоя с пробельных мест производиться с целью последующего травления меди с пробельных мест и получение необходимого рисунка платы.

9) Травление меди с пробельных мест;

Травление меди с пробельных мест является химическим процессом при котором участки медной фольги, не защищённые защитным сплавом, удаляются с поверхности диэлектрического основания, а участки покрытия сплавом формируют окончательный рисунок печатной платы.

Травление производится в ваннах путём распыления под высоким давлением, через систему сопел, травления. С поверхности платы постоянно соприкасается свежий раствор, поступающий через сопла, что обеспечивает высокую скорость травления. Время травления в среднем составляет6…12 минут

10) Создание не металлизированных отверстий;

11) Финишная обработка.

В финишную обработку входят следующие процессы:

А) Обрезка плат по контуру, с целью обработки краёв платы;

Б) Маркирование платы;

В) Консервация.

6. РАСЧЁТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ

n1 - количество условных транзисторных переходов внутри ИМС;

n2 - количество диодов, резисторов. конденсаторов, индуктивности внутри ИМС;

n3 - число внешних выводов ИМС;

?т - интенсивность отказов транзисторов;

?д - интенсивность отказов диодов;

?с - интенсивность отказов связей между элементами;

?1=1,00;

?2=1,00;

toC=20;

Tзад=2800ч;

Мин 200;

Шаг 200;

Pбозад=0,76;

где n - количество элементов одного типа

Таблица 3 -Расчёт интенсивности отказов всего узла

Расчёт вероятностей безотказной работы работы изделия за время tзад:

Pбоmin(t)=e??0max *t

Pбоср(t)=e??0ср*t

Pбоmax(t)=e??0min *t

По полученным результатам определим среднее время наработки на отказ:

Tсрmax=1/ ?0maxЧ

Tсрср=1/ ?0срЧ

Tсрmin=1/ ?0minЧ

Результаты расчётов сведём в таблицу 4, причём вероятность безотказной работы определяем через промежутки времени t?Tзад

Таблица 4 -Расчёт вероятности безотказной работы без учёта условий эксплуатации

По результатам таблицы выполняется построение графика зависимости вероятности безотказной работы изделия от времени: Pбоmax(t), Pбо ср (t), Pбоmin (t) и оценка надёжности изделия по допускаемому значению Pбо(t)

Рисунок 7 - График вероятности безотказной работы изделия от времени без учёта условий эксплуатации

В предварительном расчёте учитываться заданные условия эксплуатации, его производят с помощью поправочных коэффициентов

? 1 - коэффициент, учитывающий вибрацию и ударных нагрузок;

? 2 - учитываетвлияние температуры и влажности;

? 3 - учитывает влияние атмосферного давления или высоты

При корабельных условиях эксплуатации

? 1=1,34;

? 2=1,5;

? 3=1,0.

?0 э ср= ?0ср* ? 1* ? 2* ? 3;

?0ср из ориентировочного расчёта.

Таблица 5 - Расчёт вероятности безотказной работы с учётом условий эксплуатации

По результатам таблицы выполняется построение графика Pбо э(t)

Рисунок 7 -График вероятности безотказной работы изделия от времени с учётом условий эксплуатации

Из графика видно, что при заданных условиях эксплуатации требования по надёжности не выполняются (Pбо э(t)<Pбозадпри t>5750)

Наиболее эффективным средством повышения надёжности является резервирование, которое позволяет сократить время восстановления вычислительного процесса. Сущность резервирования заключается в применении избыточных элементов, из которых в дополнение косновным создают дополнительные цепи, позволяющие сохранить работоспособность СВТ при отказе основной цепи.

Вероятность безотказной работы при использовании резервирования

Pбо эрез(t))=1-P0(t)=1-(1-Pбо э(t))m,

где m - число систем, дублирующих друг друга.

Таблица 5 - Расчёт надёжности с использование резервирования

Построим график Pбо э рез(t) и

Рисунок 8 - График надёжности с использованием резервирования

Из графика видно, что при резервировании устройство отвечает предъявленным требованиям по надёжности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовом проекте разработано устройство выполнения логических операций, предназначенный для работы в корабельных условиях эксплуатации.

В анализе исходных данных были рассмотрены ограничения, накладываемые условиями эксплуатации на разрабатываемый узел, исходя из которых, был выбран материал основания (стеклотекстолит с двусторонним адгезионным слоем) и метод изготовления печатной платы.

Конструкция сборочного узла и тип печатного кабеля были выбраны с учетом повышения надежности крепления ПП и предохранения ее от воздействия внешних факторов. Тепловой расчет сборочного узла показал, что специальных мер охлаждения не требуется, т.к. температура блока находится в диапазоне рабочих температур.

Был использован полуаддитивный метод изготовления ПП.

Расчёт показателей надёжности показал, что узел устройства более надёжен при использовании резервирования.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Пухальский Г. И. Новосельцев Т. Я. Проектирование цифровых устройств: учебное пособие - СПб. : Лань, 2012. - 888 с.

2. Фуфаев, Э. В. Пакеты прикладных программ : учебное пособие для учреждений СПО / Э. В. Фуфаев, Л. И. Фуфаева. - 7-е изд., испр. - М. : Академия, 2013. - 351 с.

3. Авлукова, Ю.Ф. Основы автоматизированного проектирования: учеб.пособие / Ю.Ф. Авлукова. - Минск: Выш. шк., 2013. - 217 с.

4. Пятибратов А.П./ Вычислительные системы, сети и телекоммуникации, Учебник/ А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко.-.М, Финансы и статистика, 2012г.,736 с.

5. Баканов, Г. Ф. Конструирование и производство радиоаппаратуры: учебник для СПО/ Г. Ф. Баканов, С. С. Соколов. - М.: Академия, 2011. - 381 с.

6. Полещук, Н. Н. AutoCAD 2011 / Николай Полещук. -- СПб.: БХВ-Петербург, 2012. -- 752 с.

7. Максимов Н.В. Информационные технологии в профессиональной деятельности: учебное пособие / Н.В. Максимов, Т.Л. Партыка, И.И. Попов. - М.: Форум, 2014. - 496 с. (Профессиональное образование)

8. Новожилов О.П. Основы цифровой техники. Учебное пособие/ О.П. Новожилов -.М,РадиоСофт,2013г.,528 с.

9. Ёлшин, Ю.М. Инновационные методы проектирования печатных плат на базе САПР P-CAD 200x.-- Электрон.дан. М. : СОЛОН-Пресс, 2016. 464 с.

10. Титов В.С. Проектирование аналоговых и цифровых устройств: Учебное пособие / В.С. Титов, В.И. Иванов, М.В. Бобырь. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2014. 143 с.

Размещено на Allbest.ur