Критерии качества компоновки и конструкции
Основными компоновочными параметрами обычно считают объем, площадь и массу аппаратуры. Для определения качества компоновки необходимо рассматривать компоновочные параметры, пользуясь которыми можно оценивать как качество компоновки аппаратуры в целом, так и отдельных конструктивных частей. Качество компоновки тесно связано с качеством конструкции, но качество конструкции – понятие более широкое. Под качеством конструкции понимается совокупность технических, функциональных и экономических показателей, определяющих степень пригодности конструкции по заданному назначению. Качество конструкции характеризуется еще рядом дополнительных показателей, таких, как величина потребляемой мощности, собственная резонансная частота конструкции, степень герметичности конструкции, вероятность безотказной работы. С усложнением аппаратуры, изменением ее элементного базиса менялись и критерии оценки качества компоновки и конструкции. Новые качества элементной базы использовались для уменьшения числа соединений устройств, уменьшения объема и массы устройства в целом. Для аппаратуры первых поколений сложность устройства характеризовалась количеством активных дискретных элементов. С переходом на микроэлектронную элементную базу показателем сложности стала степень интеграции. На этапе развития микроминиатюризации удобно было использовать коэффициент миниатюризации Км, характеризующий долю узлов в миниатюрном исполнении:
где N1 – общее число элементов;
N2 – число элементов в составе микросхем.
Основными компоновочными параметрами пользуются для оценки качества компоновки РЭА одного назначения и принципа действия, а также для сравнения различных вариантов компоновки одного и того же устройства.
Объем устройства:
где Vn – общий объем всех электрорадиоэлементов;
Vм – объем всех соединений (монтажа);
Vнк– объем несущей конструкции, обеспечивающий прочность и ее защиту.
Если несущая конструкция не обеспечивает отвод теплоты, то к Vнк добавляется объем теплоотводящего устройства. Расчет по приведенной формуле дает возможность судить о соотношениях полезного объема (Vn) и объемов, зависящих непосредственно от правильного выбора типа конструкции и компоновки (Vм и Vнк ). Можно отдельно оценить потери объема на несущие элементы конструкции с помощью коэффициента дезинтеграции: q=V/VN. Коэффициент дезинтеграции показывает эффективность использования элементной базы в конструкции. Чем меньше коэффициент дезинтеграции, тем выше качество компоновки.
Показателем, характеризующим использование объема устройства или его площади (например, для печатной платы или пленочной микросхемы), может служить и плотность упаковки электрорадиоэлементов или компонентов (N) в заданном объеме устройства (V):
где λv – плотность упаковки в объеме, ед/см3, или на заданной площади (S):
Под компонентами устройства понимаются неразъемные функционально и конструктивно законченные сборочные единицы, соответствующие определенной для них технологии (например, корпусированные интегральные микросхемы, микросборки и т. п.). Значения этих показателей непосредственно зависят от выбранной схемы компоновки, от используемой элементной базы, технологических возможностей производства и категории аппаратуры и технико-экономических требований к ней.
Важным параметром компоновки является масса устройства, зависящая от объема этого устройства и удельной массы m=Vmy
Значение удельной массы узла или блока определяется удельными массами компонентов, несущих конструкций, элементов соединений, теплоотводов и т. д. Удельная масса во многом зависит от соотношения массы компонентов и остальных элементов конструкции. Стремление уменьшить массу несущих конструкций, корпуса, теплоотводов ограничивается требованиями обеспечения тепловых режимов, прочности и жесткости конструкции, технологией изготовления.
При оценке объема и массы конструкций необходимо учитывать, что для ряда категорий аппаратуры (например, бортовой) эти показатели имеют одностороннее ограничение, т. е. объем и масса конструкции всегда должны быть меньше (или равны) объема и массы по техническому заданию.
При разработке конструкции и компоновки часто используется коэффициент плотности
K = m/V (кг/дм3)
Коэффициент плотности хорошо оценивает правильность выбора типа конструкции и компоновки, т.к. учитывает два основных параметра качества компоновки: объем и массу конструкции. Для оценки качества компоновки определенных структурных уровней конструкции рассчитывают плотность заполнения конструкции высшего структурного уровня конструктивными единицами низшего структурного уровня. Например, для блока, состоящего из отдельных узлов, плотность заполнения:
где V1 и V2 – объем узлов и блока.
Количественные показатели качества компоновки дают возможность выбрать оптимальный вариант конструкции и судить о развитии техники компоновки.
5. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ И УЗЛЫ.
Основные понятия.
Применение печатных плат создает предпосылки для механизации и автоматизации процессов сборки радиоэлектронной аппаратуры, повышает ее надежность, обеспечивает повторяемость параметров монтажа (емкость, индуктивность) от образца к образцу.
Простейшим элементом любой печатной платы является печатный проводник – участок токопроводящего покрытия, нанесенного на изоляционном основании. Характерной особенностью печатного проводника является то, что его ширина значительно больше толщины.
Система печатных проводников, обеспечивающая возможность электрического соединения элементов схемы, которые впоследствии будут установлены на печатную плату, а также экранирование отдельных проводников, образует печатный монтаж. Изоляционное основание с нанесенным на него печатным монтажом образует печатную плату.
Иногда непосредственно на печатной плате, используя технологические процессы нанесения токопроводящего или изоляционного покрытия, получают отдельные электрорадиоэлементы (ЭРЭ) – катушки индуктивности, контакты разъемов и переключателей и др. Такие элементы также называются печатными.
Система печатных проводников и электрорадиоэлементов, нанесенных на изоляционное основание, образует печатную cxeму.
По конструкции печатные платы подразделяют на однослойныеи многослойные.
Однослойные печатные платы всегда имеют один изоляционный слой, на котором находятся печатные проводники. Если они расположены на одной стороне изоляционного основания, то такую плату называют односторонней (ОПП), если на двух сторонах, то двусторонней (ДПП).
Многослойная печатная плата (МПП) состоит из нескольких печатных слоев, изолированных склеивающими прокладками.
Многослойные печатные платы имеют соединения между проводниками, расположенными в различных слоях или открытый доступ к отдельным участкам про водников внутренних слоев для припайки к ним ЭРЭ.
Процесс изготовления изоляционной платы с печатным монтажом состоит из двух основных операций:
а) создание изображения печатных проводников (копированием изображения с негатива на светочувствительный слой, печатанием изображения защитной краской через сетчатый трафарет или с помощью офсетной формы);
б) создание токопроводящего слоя на изоляционном основании.
Широкое распространение получили три способа создания токопроводящего слоя:
а) химический, при котором производится вытравливание незащищенных участков фольги, предварительно наклеенной на диэлектрик;
б) электрохимический, при котором методом химического осаждения создается слой металла толщиной 1-2 мкм, наращиваемый затем гальваническим способом до нужной толщины. При электрохимическом способе одновременно с проводниками металлизируют стенки отверстий, которые можно использовать как перемычки для соединения проводников, расположенных на разных cтоpoнax платы;
в) комбuнuрованный метод, сущность которого состоит в сочетании химического и электрохимического методов. При использовании комбинированного метода проводники получают травлением фольги, а металлизированные отверстия - электрохимическим методом.
Чтобы к печатному проводнику можно было припаять объемный проводник или вывод навесного ЭРЭ, на проводнике делают контактную площадку в виде участка с увеличенной шириной (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Печатные проводники и контактные площадки для
пайки выводов электрорадиоэлементов (а - в):
1 – печатный проводник; 2 - контактная площадка для элементов со штыревыми выводами;
3 - контактные площадки для элементов с планapными выводамн; 4 - ключ у площадки, к
которой будет припаиваться вывод .№1 микросхемы; 5 - линии координатной сетки
В зоне контактной площадки может находиться монтажное отверстие, в которое будет вставляться объемный проводник или вывод ЭРЭ. При наличии отверстия контактная площадка окружаeт его со всех сторон. Монтажное отверстие может иметь металлизированные стенки. В последнем случае металл, нанесенный на цилиндрическую поверхность отверстия, должен быть соединен с контактной площадкой по всему периметру отверстия.
При установке объемных проводников и выводов элементов в металлизированное монтажное отверстие обеспечивается наиболее надежный паяный электрический контакт. Как видно из рис.5.2, в этом случае припой затекает в отверстие и контактирует не только с выступающей частью вывода и контактной площадкой, но и со стенкой отверстия и той частью вывода, которая расположена в нем.
Рис.5.2. Пайка проводников в Рис.5.3. Пересечение печатных проводников
металлизированном отверстии. на двусторонней печатной плате.
Металлизированное отверстие может быть использовано также и для электрического соединения двух проводников, находящихся на разных сторонах изоляционного основания (рис.5.3) двусторонней печатной платы и для соединения двух или более проводников, расположенных на разных слоях многослойной платы.
Для изготовления печатных плат наиболее широко используют комбинированный и химический методы. Химический метод обеспечивает большую производительность, но позволяет получить печатный монтаж, расположенный только на одной стороне печатной платы. При этом не может быть получена высокая плотность монтажа. Кроме того, как было показано, он не может обеспечить такую же высокую надежность пайки, какую дают платы с металлизированными отверстиями, изготовленные комбинированным методом. Поэтому химический метод используют для получения односторонних печатных плат бытовой аппаратуры. Комбинированный метод используют для получения одно- и двусторонних печатных плат в аппаратуре, к которой предъявляют более жесткие требования по надежности.
5.2. Электрические параметры печатных плат.
Большая поверхность и хороший тепловой контакт с изоляционным основанием обеспечивает интенсивную отдачу теплоты от печатного проводника изоляционной плате и в окружающее пространство, что позволяет пропускать через печатные проводники значительно большие токи, чем через объёмные того же сечения. Для печатных проводников, расположенных на наружных слоях, допускается плотность тока до 20А/мм2, а для расположенных на внутренних слоях МПП – 15А/мм2. Для печатных плат, используемых в бытовой аппаратуре, допускается плотность тока до 30А/мм2. При этом заметного нагрева проводников не наблюдается.
Допустимое рабочее напряжение между двумя расположенными рядом печатными проводниками зависит от величины минимального зазора между ними. Для плат, покрытых после изготовления влагозащитным лаком, значение рабочего напряжения можно выбрать из таблицы 5.1.
Таблица 5.1. Допустимое напряжение между проводниками и печатной платой.
| Зазор между проводника-ми l, мм | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 1,0 | 2,5 |
| Допустимое рабочее нап-ряжение U, В |
Для МПП значение напряжения U не должно превышать 250В. Значение сопротивления печатных проводников можно рассчитать по формуле:
R = ρl /S (5.1)
где l – длинапроводника, мм;
S = b×h – сечение проводника, мм2;
ρ – удельное объёмное электрическое сопротивление проводника, Ом ·мм2/м;
R – сопротивление проводника, Ом.
При этом следует учитывать, что слой меди, полученный электролитическим осаждением, имеет менее плотную структуру, чем проводник, полученный травлением фольги. Поэтому для проводников, изготовленных химическим методом, нужно в формулу подставлять ρ = 0,0175 Ом ·мм2/м. Для проводников полученных электрохимическим методом, следует принимать ρ = 0,0235 Ом ·мм2/м. При комбинированном методе удельное сопротивление проводника определяется как участками из фольги, так и участками полученными электрохимическим методом, и ρ = 0,02 Ом ·мм2/м.
Между двумя параллельно расположенными проводниками могут появиться гальванические связи за счёт утечек по изоляции, а также емкостные. Значение ёмкости между печатными проводниками можно вычислить по формуле:
С = К l ε (5.2)
где С – емкость, пФ;
К – коэффициент, который зависит от ширины проводников и их взаимного расположения. Значение К для встречающихся в практике случаев приведены на рис.5.;
ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между проводниками;
l – длина взаимного перекрытия проводников, см.
Рис. 5.4. Зависимость коэффициента пропорциональности К от параметров печатной
платы:
d – расстояние между печатными проводниками; b1 и b 2 – ширина печатных проводников
При расположении проводников, которому соответствуют характеристики 1 и 2 (рис.5.4), линии электрического поля проходят частично через воздух, а частично через изоляционную плату. Поэтому в формулу (5.2) следует подставлять среднеарифметическое значение относительной диэлектрической проницаемости воздуха и изоляционной платы, которое можно определить по формуле:
ε = (1+ εД )/2 (5.3)
где εД – относительная диэлектрическая проницаемость изоляционной платы, на которой расположены печатные проводники. Для взаимного расположения проводников, соответствующего графикам 3 и 4 (рис.5.4) следует подставлять εD.
Ёмкость, а также гальванические связи между двумя параллельными проводниками, расположенными на одной стороне печатной платы, можно уменьшить, если разместить между ними заземлённый экран в виде такого же проводника.
Значение индуктивности прямого печатного проводника зависит от его длины, ширины и толщины. Для проводников толщиной 50 мкм величину погонной индуктивности Lпог можно определить по графику (рис.5.5).
Рис.5.5. зависимость погонной индуктивности печатного проводника
от его ширины (толщина проводника 50 мкм).
Между двумя параллельно расположенными проводниками кроме ёмкостной существует индуктивная взаимосвязь.
Рис. 5.6. Расположение проводников на печатной плате
а – без экранирующей плоскости; б – с экранирующей плоскостью.
Для расположения проводников, показанных на рис. 5.6 а, значение взаимоиндукции можно определить по формуле:
М = 2 l ( ln 2l / D – 1 ) (5.4)
где М – значение взаимоиндукции, Гн;
l – длина проводника, см;
D – расстояние между проводниками, см.
Для взаимного расположения указанного на рис. 5.6, б,
М = 2 l ( ln 2d / D + D/ l ) (5.5 )
Где d – толщина диэлектрика печатной платы, см.