I. Монтажные печатные платы.

1. Компановка элементов схемы.

2. Монтаж на печатных платах:

а) проводной монтаж,

б) монтаж плоскими ленточными кабелями,

в) жгутовый монтаж.

При разбиении схемы на уровни учитываются:

1) оптимальные размеры модулей различных уровней;

2) иерархия уровней;

3) число внешних выводов модулей;

4) назначение модулей нижнего уровня.

При определении исходных данных модулей во время проектирования процесс размещения идет сверху виз, а при определении оптимальных параметров этих модулей – снизу вверх методом последовательного приближения.

После выбора оптимального тип размера модулей, приступают к компоновке модулей высшего уровня модулями предыдущего уровня и их размещению. В общем виде задача размещения заключается в отыскании для каждого модуля проектируемого устройства оптимальной позиции на монтажной плоскости.

Компоновка элементов схемы.

Монтажная «плата» применяется при макетировании схемы и подготовке эскиза печатной платы и может быть изготовлена на основе гнезд многоконтактных разъемов МРН-22, МРН-44, ГРПМ-45, ГРПМ-61 и др. Конструкция состоит из двух реек и двух прямоугольных пластин, дюралюминиевых, гетинаксовых или текстолитовых. На пластинах монтируются гнезда для подключения макетируемой схемы к источникам питания, к другим устройствам, подсоединения к схеме крупногабаритных деталей, которые нельзя закрепить на самой «плате».

В рейках делают ряд отверстий диаметром 3,5 мм о шагом 10 мм для установки колодок и отверстия соответствующего диаметра для установки тумблеров, переменных резисторов и др. Рейки крепятся к пластинам на расстоянии друг от друга, соответствующем расстоянию между крепежными отверстиями выбранных колодок. Затем к рейкам крепятся колодки — с учетом расстояний между токонесущими выводами радиоэлемента или микросхемы.

Элементы схемы выводами вставляют в гнезда разъемов. Если вывод входит в гнездо слишком свободно, то его слегка изгибают (например, с помощью приспособления, описанного в п. 3.1). На монтажную «плату» одинаково удобно устанавливать самые различные радиоэлементы (резисторы, конденсаторы, транзисторы) и микросхемы.

Все необходимые соединения паяют с нижней стороны «платы» — на выводах разъемов. Поскольку выводы деталей вставлены в гнезда без пайки, замена элементов при отладке макетируемой схемы предельно упрощается.

Рис. 16.1. Монтажная «плата» для макетирования:

1— пластина опорная; 2— рейки несущие; 3— отверстия для установки переменных резисторов, тумблеров, переключателей.

Платы с печатными проводниками и контактными площадками используют тогда, когда устройство предварительно хорошо отработано. В процессе настройки приходится несколько раз демонтировать отдельные детали и устанавливать Другие, а печатные контактные площадки под действием многократных тепловых и механических нагрузок, как правило, отслаиваются. Поэтому на этапе отладки схемы лучше применять монтажные платы, которые являются как бы макетом будущей печатной платы.

Технология проводного монтажа на ПП

Проводной монтаж:

• стежковый,

• многопроводной с фиксированием проводов,

• незакреплёнными проводами.

Достоинства проводного монтажа:

• повышение плотности монтажа из-за многократного перекрещивания проводов на одной поверхности;

• упрощение процесса трассировки для сложных ИС;

• минимизация длины соединений за счёт прокладки проводов по кратчайшим расстояниям; уменьшение взаимных помех;

• возможность применения сварки для создания неразъёмных соединений повышенной надежности;

• сокращение сроков проектирования и изготовления; уменьшение количества требуемой технологической оснастки и мокрых ТП.

Стежковый монтаж представляет собой процесс трассировки электрических цепей по кратчайшим расстояниям на поверхности ДПП, имеющей контактные площадки и монтажные отверстия, при помощи изолированных монтажных проводов, которые образуют в монтажных отверстиях петли, подпаиваемые к контактным площадкам.

Монтажная плата в виде ДПП изготавливается по типовой технологии. Её основными элементами являются контактные площадки для подсоединения планарных выводов ИС, ЭРЭ, соединителей, шины питания, монтажные отверстия и контактные площадки для распайки петель.

Монтаж ведут изолированными проводами (марка ПЭВТЛК, ПЭПЛОТ) диаметром 0.08…0.2 мм. Отверстия под петли располагаются с одной стороны и симметрично относительно контактных площадок. Размеры отверстия на 0.2…0.3 мм превышают размеры инструмента, используемого для монтажа.

Изготавливаемая монтажная плата собирается по базовым штырям в специальном приспособлении в пакет, который состоит: из слоя кабельной бумаги, нескольких слоёв эластичной резины и листа плотной резины.

Трассировка и прошивка осуществляется пустотелой иглой. Игла имеет внутренний диаметр на 0.08…0.1 мм больше диаметра монтажного провода и односторонний срез с углом заточки 50...700, изготовленной из нержавеющей стали.

Игла с расположенным внутри монтажным проводом, проходя через монтажное отверстие, прокалывает слой кабельной бумаги и эластичной резины, которые удерживают провод при обратном ходе иглы. Для укладки используют ручные прошивочные иглы или станки с ЧПУ.

После окончания прошивки с монтажного приспособления последовательно снимаются слои твердой и эластичной резины. Оставшийся слой кабельной бумаги защищает плату при выполнении операции зачистки изоляции с петель и их лужении и удаляется после операции лужения. Подгибку и пайку петель к контактным площадкам осуществляют вручную или групповым способом.

Несмотря на то, что отдельные операции стежкового монтажа автоматизированы, производительность и эффективность всего процесса невелика из-за того, что каждая операция требует ручного труда по сборке и разборке различных приспособлений.

Многопроводной монтаж с фиксированием проводников основан на прокладывании изолированных проводов по поверхности ДПП, на которую нанесён адгезионный слой, фиксировании в этом слое и соединении с проводящими элементами платы.

Многопроводная плата имеет типовую стандартную часть в виде печатных шин “земли” и питания, контактных площадок, печатных разъемов. На поверхности платы, закрытой специальным адгезивным материалом размещены изолированные объёмные провода. Они обеспечивают монтаж электрических цепей, трассировка которых изменяется в зависимости от типа и назначения платы. Для монтажа применяют провода в высокопрочной полиамидной изоляции диаметром 0.1…0.2 мм. Фиксирующий слой состоит из клея ВК-32-20 и прокладочной стеклоткани СПТ-3.-0.025.

Укладка монтажного провода на плату осуществляется с помощью специальной головки состоящей из ультразвукового прижима, ножа отсекателя и подающего устройства. Оптимальные режимы работы прижима: частота ультразвуковых колебаний 45 кГц, амплитуда 0,01 мм, давление 0,016...0,018 Мпа.

После укладки всех проводов их закрепляют в слое адгезива окончательным прессованием при температуре 160-1800С и давлении 1.0…1.5 Мпа.

Соединение проводов с элементами ПП производится путём металлизации монтажных отверстий, которые просверливаются с высокой точностью (±0.05 мм) таким образом, чтобы проводники были в плане по оси симметрий отверстий.

Существенным недостатком данного метода является низкая надёжность монтажных соединений провода с метализированным отверстием, который возникает из-за малой площади контактов (0.05 мм2 при многопроводном монтаже и 0.1…0.4 мм2 при печатном). Для устранения этого недостатка разработан способ нанесения адгезионного слоя через трафарет таким образом, чтобы оставлять открытыми контактные площадки ПП, а прокладываемые монтажные провода после утапливания в слое клея соединяют пайкой с открытыми контактными площадками.

Выпускаемое оборудование с ЧПУ для раскладки монтажного провода имеет скорость координатного перемещения до 5 м/мин и дискретность 0.3125 мм и позволяет вести монтаж на платах размером до 500х600 мм. Производительность станка при одновременной монтажной пайке составляет 300…400 соединений/ч.

Монтаж с незакреплёнными проводами осуществляется на оборудовании аналогичном для монтажа с закреплёнными проводами. Проложенные проводники сразу соединяются с контактными площадками ПП пайкой или сваркой. Сварка обеспечивает более надёжное соединение элементов, работающих в условиях вибрационных и ударных нагрузках.

Для обеспечения высокой механической прочности и коррозионной стойкости этих соединений используют диэлектрические основания с высокой нагреваемостью, одножильные никелевые провода диаметром 0.2…0.3 во фторопластовой изоляции и монтажные площадки выполненные также из никеля или нержавеющей стали. Чтобы не было отслоения фольги от диэлектрика при сварке, на её поверхность с внутренней стороны наносят слой фольги 40…50 мкм для улучшения теплоотвода.

Монтаж плоскими ленточными кабелями

Плоские ленточные кабели (ПЛК) представляют собой одно или многослойную структуру, состоящую из многожильных ленточных проводов или ГПК и различных по конструкции соединителей (специальных разъёмов, коммутационных плат), при помощи которых кабели соединяются друг с другом и с остальными элементами монтажа.

По способу изготовления ПЛК разделяются на:

• опресованные,

• плетёные,

• тканые,

• печатные.

Токоведущие жилы проводов имеют прямоугольное или круглое сечение площадью от 0.02 до 0.35 мм2 и выполняются из меди, бериллиевой бронзы и нихрома. Расстояние между центрами проводников стандартизовано и кратно 1.25 мм. Ориентация проводов при монтаже осуществляется по цветной жиле с увеличенным шагом или кодирующему выступу на кромке изоляции.

Использование ПЛК по сравнению с жгутовым монтажем позволяет уменьшить габариты и массу аппаратуры, снизить трудоёмкость механосборочных работ за счёт механизации и автоматизации процессов, повысить качество и надёжность соединений при различных климатических воздействиях.

Технологический процесс монтажа ПЛК включает подготовку ленточных проводов, сборку их с различными соединителями, трассировку кабеля на каркасах несущих конструкции ЭВА и его соединения с другими токоведущими элементами.

ПЛК поступают на сборку в рулонах. Их разрезают на мерные отрезки, определяемые конструкцией устройства, при помощи гильотинных ножниц. Подача провода осуществляется вручную или специальными механизмами, обеспечивающими необходимую длину отрезка. Должна быть обеспечена пенпердикулярность линии среза оси симметрии провода. С обеих сторон без повреждения токоведущих жил удаляют изоляционный слой механическим, термомеханическим или химическим методами.

Для механического удаления используют ножи с регулируемым зазором, щётки и др. Процессы эффективны при обработке проводов во фторопластовой изоляции или термостойкой полиамидной изоляции.

Эффективной является лазерная обработка остросфокусированным лучём, под действием которого удаляется небольшой участок изоляции.

Химическое удаление изоляции целесообразно проводить для ПЛК, на токопроводящие жилы которых наносят гальванические покрытия.

Для защиты токоведущих жил от окисления и обеспечения хорошей паяемости или свариваемости на их поверхности наносят покрытия из металлов (никеля, золота, серебра).

Сборка ПЛК друг с другом и специальными соединениями осуществляется при помощи пайки, сварки или механическим способом (обжатием, врезанием, накруткой).

Пайка является наиболее универсальным способом. Токоведущие жилы ПЛК паяют паяльником с определенной формы жалом или групповым способом.

При групповой пайке все проводники с дозированным количеством припоя ориентируют и фиксируют относительно друг друга в приспособлении, а затем припой расплавляют инфракрасным излучением.

Оболочка изготавливается из поливинилхлорида или политетрафторэтилена и подвергается гамма облучению, под действием которого она приобретает свойства выдерживать большие растяжения, а при нагревании возвращаться к первоначальным размерам.

При введении токопроводящих жил соединяемых ПЛК в такие муфты и их термооблучение происходит размягчение уплотнительных колец, усадке оболочки, деформация, плавление и растекание припоя до уплотнительных колец, в результате чего соединение герметизируется.

Механические способы соединения ПЛК основаны на использовании специальных элементов, обеспечивающих электрический контакт за счёт пластической или упругой деформации. Жилы круглого и прямоугольного сечения соединяют обжатием металлической втулке. Коммутация отдельных проводов с элементами монтажа осуществляется при помощи ножевых штампованных контактов, имеющих паз вдоль оси. Под действием приложенного давления контакт прорезает изоляцию и токопроводящая жила входит в паз. Однако эти методы имеют ограниченное применение из-за низкой надёжности.

Технология жгутового монтажа

Объединение, прокладываемых в одном направлении монтажных проводов, в жгуты производится во всех случаях, если это не вызывает повышения допустимого уровня наводок.

Исходя из конструкции монтируемой аппаратуры жгуты разделяют на плоские и объёмные. Укладываемые в них провода должны быть близкими по диаметру изоляции, с зачищенными, скученными (для многожильных проводов) и облуженными концами. Проводники сильноточных цепей для уменьшения паразитных наводок свивают без скручивания парами с шагом 15…40 мм. В каждом жгуте предусматривается 5…10% запаса свободных проводов, но не менее одного провода.

Для изготовления жгутов применяют монтажные медные провода с различным типом изоляции: волокнистой из капроновых нитей (МШДЛ, МЭШДЛ, МГШ, МГШД); стекловолокна (МГСА, МГСПЭ); поливиниловой (ПМВ, МГВ); волокнисто поливиниловой (МШВ, МГШВ, БПВЛ); фторопластовой изоляции (МГТФ до 2500С); провода в шланговой оболочке из морозостойкой резины (РПД и РПШЭ до 700С).

Сигнальные ВЧ-цепи для защиты от электромагнитных помех коммутируют экранированными проводами и кабелями с обязательным заземлением каждого экрана в одной (при длине до 100 мм) или двух точках (при длине более 100 мм).

К проводам из жгутового монтажа предъявляются следующие требования:

• соответствие сечения токопроводящей жилы и изоляции рабочей плотности тока и допустимому падению напряжения;

• механическая прочность, гибкость и эластичность;

• отсутствие повреждений (подрезов, поджёгов), снижающих их механическую и электрическую прочность;

• применение маркировочных знаков;

• наличие запаса по длине, обеспечивающего повторные перепайки.

На каждый жгут методом макетирования разрабатывается чертёж, по которому изготавливается плоский или объёмный шаблон, и составляется таблица соединений. На шаблоне трассы укладки проводов ограничиваются шпильками или штырями. Штыри также устанавливаются в местах изгибов и ответвлений в начальных и конечных точках трасс.

Технологический процесс жгутового монтажа состоит из следующих этапов:

• разделки монтажных проводов и кабелей;

• сборки и вязки жгута на шаблоне;

• соединения с контактными элементами;

• трассировки и закрепления на несущей конструкции;

• контроль качества выполнения.

Основной объём работ при изготавливании жгутов занимают подготовительные операции: нарезка проводов и кабелей на мерные отрезки, разделка концов и закрепление изоляции, удаление окисной плёнки, свивание, лужение и маркировка.

Резка и снятие изоляции с концов с одиночных проводов производится механическим и термомеханическим методами, как в ручную, так и с использованием различного автоматического оборудования.

Уменьшение трудоёмкости монтажно-сборочных работ, снижение количества неправильно выполняемых соединений, облегчение контроля, нахождения неисправностей и ремонта, достигается маркировкой проводов. Её выполняют с помощью использования различной расцветки монтажных проводов, липких лент с цифровыми или буквенными кодами, маркировочных трубчатых бирок или путём нанесения маркировочных знаков непосредственно на изоляцию проводов. Наибольшее распространение получили два последних метода из-за высокой производительности и недёжности выполнения.

Сборка жгутов в соответствии с чертежом и таблицей монтажных соединений проводятся вручную с применением электрифицированного шаблона или на станках с ЧПУ.

В условиях серийного производства возможны два варианта маршрута изготовления жгутов:

1) автоматическая подготовка проводов к монтажу и ручная сборка на шаблоне

2) автоматическая раскладка проводов и их ручная подготовка к монтажу.

Выбор оптимальной структуры определяется из реальных условий по минимуму труда затрат.

Лекция № 17: «Принципы конструирования ЭВМ».

I. Принципы конструирования ЭВМ.

1. Факторы, влияющие на выбор конструкции ЭВМ.

2. Требования к конструкции ЭВМ

3. Показатели конструкции ЭВМ.

4. Общие принципы конструирования ЭВМ.

Факторы:

• климатические,

• механические,

• радиационные,

• др. внешние воздействия.

Климатические:

1) изменение температуры;

2) изменение влажности;

3) тепловой удар;

4) изменение давления;

5) наличие движущихся потоков пыли, песка;

6) присутствие активных веществ в атмосфере;

7) наличие солнечного облучения;

8) грибковые образования;

9) микроорганизмы, насекомые, грызуны;

10) взрывоопасная и воспламеняющаяся атмосфера;

11) дождь, брызги;

12) присутствие в атмосфере озона.

По каждому климатическому фактору существует степень жесткости.

Климатическая зона — характеризуется набором климатических факторов:

• умеренная У;

• холодная Хл;

• тропическая влажная ТВ;

• тропическая сухая ТС;

• умеренно-холодная морская М;

• тропическая морская ТМ.

Механические:

1) вибрационные нагрузки;

2) линейное ускорение;

3) акустический удар;

4) невесомость.

Радиационные:

1) космическая радиация;

2) ядерная радиация;

3) облучение фотонами, нейтронами…

Внешние воздействия:

1) обратимые,

2) полуобратимые,

3) необратимые.

Требования к конструкции ЭВМ:

1) тактико-технические требования (задаются в ТЗ — быстродействие, длина слова, память и др);

2) конструкторско-технолог требования (обеспечение узлового принципа проектирования, min номенклатура изделий; min габариты и масса, защита от внешних воздействий и др.);

3) эксплуатационные (простота обслуживания, самодиагностика);

4) надежностные (вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, наработка на отказ, среднее время на восстановление, долговечность, сохраняемость);

5) экономические.

Показатели конструкции ЭВМ:

1) сложность конструкции СЭВМ=k1(k2NЭ+K3МC). Позволяет учесть количество элементов NЭ, количество соединений м/у элем (МС). k2, k3 — весовые коэффициенты, k1 — масштабный коэф

2) число элементов NЭ= i=1oΣj=1mΣnij суммируем в каждом блоке, а затем по блокам

3) объем ЭВМ V=VN+VМC+VH+VУТ, =объемы активных элементов + межэлементных связей + несущей конструкции + устройств теплоотвода

4) коэффициент интеграции (использования физического объема) q=VN/V (сейчас десятые, сотые доли %)

5) общая масса (объем, тока вместо V — m)

6) общая мощность потребления (число элементов, тока P)

7) общая площадь, занимаемая ЭВМ

8) вероятность безотказной работы

Общие принципы конструирования ЭВМ

Компоновки ЭВМ подразделяются на три группы:

• однокорпусные (однокристальные),

• одноплатные,

• многоплатные.

Причина перехода к третьему методу проектирования - превышение значений плотности компоновки, топологии и упаковки в сравнении с их допустимыми значениями, принятыми исходя из имеющихся на производстве способов технологии изготовления ПП и сборки ячеек.

1) одноуровневый

Вся конструкция на 1 печатной плате, что сокращает габариты и увеличивает быстродействие, повышает надежность. При выходе из строя 1 элемента надо менять всю конструкцию т. е. неремонтопригодность.

2) многоуровневый

Многоплатные ЭВМ могут быть сконструированы по принципам:

1) схемно-узловой — вся электрическая принцип схема делится на узлы, при этом у каждого узла есть входы и выходы (бортовые машины, настольные ЭВМ);

2) каскадно-узловой — схема делится на отдельные каскады, не имеющие четко выраженных входов-выходов;

3) функционально-узловой — применяется при разработке больших машин;

4) модульный — отдельные функциональные узлы взаимосвязаны между собой по 1 каналу.

Выбор конкретного принципа конструирования определяется назначением и сложностью принципиальной схемы ЭВМ, экономической выгоды, возможностей технологии (max размер печ платы ограничен и т.д.).

За рубежом самыми распространенными моделями компьютеров в настоящее время является IBM PC с микропроцессорами Pentium и Pentium Pro. Отечественная промышленность (страны СНГ) собирают персональные компьютеры из импортных комплектующих, совместимых с IBM PC.

Модели персональных компьютеров в двух категориях:

• бытовые ПК,

• профессиональные ПК.

Бытовые модели, как правило, имели меньшую производительность, но в них были приняты особые меры для работы с цветной графикой и звуком, чего не требовалось для профессиональных моделей. В связи с достигнутым в последние годы резким удешевлением средств вычислительной техники, границы между профессиональными и бытовыми моделями в значительной степени стерлись, и сегодня в качестве бытовых нередко используют высокопроизводительные профессиональные модели, а профессиональные модели, в свою очередь, комплектуют устройствами для воспроизведения мультимедийной информации, что ранее было характерно для бытовых устройств.

Начиная с 1999 года, в области персональных компьютеров начинает действовать международный сертификационный стандарт-спецификация PC99. Он регламентирует принципы классификации персональных компьютеров и оговаривает минимальные и рекомендуемые требования к каждой из категорий.

Новый стандарт устанавливает следующие категории персональных компьютеров:

1.Consumer PC (массовый ПК);

2.Office PC (деловой ПК);

3.Mobile PC (портативный ПК);

4.Workstation PC (рабочая станция);

5.Entertainment PC (развлекательный ПК)

Согласно спецификации PC99 большинство персональных компьютеров, присутствующих в настоящее время на рынке, попадают в категорию массовых ПК. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются. Для портативных ПК обязательным является наличие средств для создания соединений удаленного доступа, то есть средств компьютерной связи. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных ПК – к средствам воспроизведения звука.

Лекция № 18: «Классификация персональных компьютеров».