close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Учебное пособие

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Курский государственный технический университет
В.В.Умрихин, И.С.Захаров, Т.А.Ширабакина, В.И.Вахания
КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ
Учебное пособие
Допущено Министерством образования Российской Федерации
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности "Проектирование и технология электронно-вычислительных средств" направления подготовки дипломированных специалистов "Проектирование и технология электронных средств"
КУРСК 2004
УДК 658.512.621:681.3
ББК У 55
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор Тульского государственного университета А.А.Ильин
Доктор технических наук, профессор Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники Ю.А.Шурыгин
Умрихин В.В., Захаров И.С., Ширабакина Т.А., Вахания В.И.
Конструкторско-технологическое проектирование электронных вычислительных средств: Учебное пособие/ Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2004. 169 с.
ISBN В учебном пособии рассмотрены актуальные проблемы конструирования и технологии производства электронных вычислительных средств (ЭВС).
Основное внимание уделено содержанию работ при конструировании электронных модулей (размещению интегральных микросхем и элементов на печатной плате, расчетам элементов печатной платы, помехозащищенности, надежности, тепловой защиты); технологическим методам и средствам производства ЭВС (технологичность конструкции, оценке качества изготовления печатной платы, отработке конструкции сборочной единицы на технологичность и др.); разработке конструкторской и технологической документации.
УДК 658.512.621:681.3
ББК У 55
ISBN (c) Курский государственный технический университет, 2004
(c) В.В.Умрихин, И.С.Захаров,
Т.А.Ширабакина, В.И.Вахания, 2004 ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................
1. КОНСТРУИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ ........................................................................
1.1. Изучение конструкции и топологии интегральных микросхем.........................................................................
1.2. Разработка эскиза общего вида и топологии печатной
платы ручным способом....................................................
1.3. Разработка конструкции печатной платы..........................
1.4. Расчет вибрационных характеристик печатной платы.......
1.5. Конструирование виброизоляции блоков ЭВС........................
1.6. Конструирование удароизоляции блоков ЭВС .......................
1.7. Расчет теплофизических характеристик тепловых режимов ЭВС ........................................................................
1.8. Выбор способа охлаждения ...................................................
1.9. Оценка теплового режима ЭВС коэффициентным методом при воздушном охлаждении .........................................................
1.10. Оценка показателей надежности ЭВС ...............................
2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ................................................
2.1. Расчет показателей технологичности конструкции электронного блока......................................................................
2.2. Разработка технологического процесса изготовления
печатной платы...............................................................
2.3. Оценка качества изготовления печатных плат...................
2.4. Разработка схемы технологического процесса сборки электронного узла........................................................
2.5. Изучение типового маршрутного технологического процесса сборки и электромонтажа электронного блока ..................
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..........................................
ВВЕДЕНИЕ
Конструкторско-технологическое проектирование является завершающей стадией создания ЭВС. На этапе конструирования выполняется комплекс работ, в которых необходимо учитывать требования к конструкции, иметь знания по современной схемотехнике, электронике и другим дисциплинам. На этапе конструирования решаются задачи геометрической компоновки, обеспечения теплового рассеяния, оценки необходимого уровня помех, противодействия механическим, климатическим и радиационным воздействиям, обеспечения надежности.
На этапе технологического проектирования рассматриваются вопросы отработки конструкции изделия на технологичность, разработки технологических процессов, обеспечения качества и др.
Оба этапа сопровождаются созданием технической документации, которая должна отвечать правилам, регламентированным ЕСКД и ЕСТД.
Учебное пособие в лаконичной форме обобщает, логически увязывает между собой практические знания и наглядно иллюстрирует их применение при решении задач конструкторско-технологической подготовки производства ЭВС.
Учебное пособие является достаточно полным изложением широкого круга вопросов, входящих в компетенцию конструкторов и технологов. Особую ценность оно представляет для студентов специальностей 220500 "Проектирование и технология электронных вычислительных средств" и 220100 "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети" и начинающих специалистов. Тщательный отбор, хорошая систематизация, доходчивое изложение материала, контрольные вопросы способствуют пониманию и прочному усвоению знаний.
ЧАСТЬ 1. КОНСТРУИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ
1.1. Изучение конструкции и топологии интегральных микросхем
Классификация интегральных микросхем
Микросхемы составляют основу элементной базы ЭВС. Они, являясь исходными унифицированными неделимыми конструктивными элементами, не только определяют эффективность, качество и другие характеристики устройств ЭВС, но и влияют на конструктивную реализацию модулей последующих иерархических уровней.
Под интегральной микросхемой (ИМС) понимается микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое. Применительно к ИМС различают понятия "элемент" и "компонент". Часть интегральной микросхемы, которая реализует функцию какого-либо электрорадиоэлемента (транзистор, диод, резистор, конденсатор и др.), выполнена нераздельно с кристаллом или подложкой и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации, называется элементом. Та часть микросхемы, которая может быть выделена как самостоятельное изделие (с точки требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации), называется компонентом. Компоненты устанавливаются на подложке микросхемы при выполнении сборочно-монтажных операций. К простым компонентам относятся бескорпусные диоды и транзисторы, специальные типы конденсаторов, малогабаритные катушки индуктивности и др. Сложные компоненты содержат несколько элементов, например диодные сборки.
С точки зрения внутреннего устройства микросхема представляет собой совокупность большого числа элементов и компонентов, размещенных на поверхности или в объеме общей диэлектрической или полупроводниковой подложки. Термин "интегральная" отражает конструктивное объединение элементов и компонентов, а также полное или частичное объединение технологических процессов их изготовления.
Интегральные микросхемы можно классифицировать по различным признакам: по виду обрабатываемого сигнала, по конструктивно-технологическому исполнению, по степени унификации и назначению, по наличию и отсутствию корпуса, по степени интеграции и т.п.
По виду обрабатываемого сигнала ИМС делятся на аналоговые и цифровые. Аналоговые ИМС предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. В цифровых ИМС преобразование и обработка сигналов осуществляются по закону дискретной функции.
По конструктивно-технологическому исполнению ИМС делятся на три большие группы: полупроводниковые, гибридные и прочие. В группу прочих входят пленочные, керамические, вакуумные.
Полупроводниковые ИМС - это ИМС, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Структура, содержащая элементы, межэлементные соединения и контактные площадки (металлизированные участки, служащие для присоединения внешних выводов), называется кристаллом ИМС. Полупроводниковые ИМС характеризуются высокой надежностью, малыми массой и габаритными размерами, возможностью применения групповых методов производства почти на всех стадиях изготовления.
Различают два основных класса полупроводниковых ИМС: биполярные (на основе биполярных транзисторов) и металл - диэлектрик - полупроводниковые (МДП) ИМС (на основе МДП-транзисторов). Возможно также сочетание биполярных и МДП-транзисторов в одном кристалле. На рис.1.1.1 показана структура простейшей полупроводниковой микросхемы, состоящей из биполярного n-p-n-транзистора и резистора. Структура содержит слаболегированную р-типа подложку 1 , активный полупроводниковый слой n-типа, в котором кроме транзистора и полупроводникового резистора (слой р-типа) созданы изолирующие области 2 из диоксида кремния. На поверхности полупроводника сформирован диэлектрический слой диоксида кремния, на котором расположены алюминиевые проводники.
Основными элементами МДП-микросхем являются МДП-транзисторы с каналом n-типа. Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, поэтому для микросхем на n-канальных МДП-транзисторах достигается самая высокая степень интеграции, но они уступают биполярным по быстродействию.
В специальных случаях в полупроводниковых микросхемах используют биполярные транзисторы в сочетании с МДП-транзисторами либо полевыми транзисторами с управляющим p-n-переходом.
Рис.1.1.1. Фрагмент структуры полупроводниковой микросхемы, состоящей из биполярного n-p-n-транзистора и резистора
Если элементы и межэлементные соединения выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки, то такую ИМС называют пленочной. В зависимости от толщины пленок и способа их нанесения различают тонкопленочные (толщина пленок до 1 мкм, получают преимущественно методами термического вакуумного испарения и ионного распыления) и толстопленочные ИМС (толщина пленок 10 - 70 мкм, получают методами трафаретной печати - сеткографии с последующим вжиганием).
Поскольку современная пленочная технология пока не позволяет получать активные элементы (транзисторы, диоды) со стабильными электрическими характеристиками на общей диэлектрической подложке, то пленочные ИМС содержат только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и т.п.). Для реализации электронных схем пленочные элементы дополняются дискретными активными элементами. Таким образом получается гибридная ИМС, в которой кроме пассивных пленочных элементов применяются и навесные компоненты (бескорпусные ИМС, транзисторы и диоды, а также дискретные резисторы и конденсаторы, которые по каким-либо причинам нецелесообразно выполнять в пленочном виде). Электрические связи между элементами, компонентами и кристаллами осуществляют с помощью пленочных и проволочных проводников. Подложка с расположенными на ее поверхности пленочными элементами, проводниками и контактными площадками называется платой. На рис. 1.1.2 представлена структура простейшей гибридной микросхемы.
Рис.1.1.2. Фрагмент структуры гибридной микросхемы:
1 - подложка; 2 - пленочные резисторы; 3 - бескорпусный биполярный n-p-n-транзистор; 4 - слой клея; 5 - пленочный конденсатор
По степени унификации и назначению различают ИМС общего применения (массового назначения) и частного применения. Обычно ИМС являются самостоятельными изделиями общего применения и в зависимости от массовости выпуска изготавливаются в полупроводниковом или гибридном исполнении. ИМС общего назначения, как правило, выпускают сериями. Серией называется совокупность типов ИМС, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения.
Для частных специализированных применений в конструкциях модулей ЭВС используют микросборки - микроэлектронные изделия типа гибридных ИМС или больших гибридных ИМС, выполняющие конкретные функции и состоящие из элементов, компонентов и (или) ИМС (корпусированных и бескорпусных) и других электрорадиоэлементов (ЭРЭ) в различных сочетаниях, разрабатываемых и изготавливаемых для улучшения показателей микроминиатюризации ЭВС.
Важными характеристиками ИМС и микросборок являются плотность упаковки и степень интеграции. Плотность упаковки ИМС - это отношение числа элементов и компонентов ИМС к ее объему. Степень интеграции определяет сложность ИМС и записывается как k = lg N, где k - коэффициент, определяющий степень интеграции и округляемый до ближайшего большего целого числа; N - число элементов и компонентов, входящих в ИМС.
По степени интеграции различают ИМС первой степени интеграции (содержат до 10 элементов), второй степени интеграции (содержат свыше 10 до 100 элементов), ИМС третьей и более высокой степени интеграции обычно называют большими (БИС). Если число элементов превышает 10000, то микросхему называют сверхбольшой (СБИС).
За счет сокращения длины и количества межсоединений увеличение степени интеграции ведет к повышению функциональной сложности, надежности и быстродействия ИМС и снижению их стоимости. Однако себестоимость существенно зависит от совершенства технологии, так как с повышением степени интеграции при неизменном уровне технологии выход годных микросхем резко падает. При повышении степени интеграции теряется универсальность применения ИМС, они становятся более специализированными, пригодными для конкретных узких применений. Кроме того, с повышением степени интеграции БИС требуется большее количество выводов для связи с внешними электрическими цепями, что в конечном итоге резко повышает стоимость ИМС.
По особенностям конструкции элементов защиты ИМС от внешних воздействий (влага, газы, пыль, механические воздействия, радиация и т.д.) различают корпусированные и бескорпусные ИМС.
В корпусированных ИМС защита кристалла или подложки осуществляется корпусом ИМС - частью конструкции ИМС, которая наряду с защитой от внешних воздействий предназначена для соединения ИМС с внешними электрическими цепями посредством выводов. Для защиты микросхемы корпуса герметизируются.
Условные обозначения микросхем
Система условных обозначений (маркировка) микросхем для устройств широкого применения состоит из пяти элементов, например:
K 1 55 ЛА 1, К Р 1 118 ПА 1Б, К Б 1 402 УЕ 1- 1
1 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 Первый элемент (буква "К") показывает, что микросхема предназначена для устройств широкого применения. Микросхемы, предназначенные для экспорта (шаг выводов 1,27 и 2,54 мм), перед буквой "К" имеют букву "Э".
Второй элемент (вторая буква) - это характеристика материала и типа корпуса: А - пластмассовый планарный корпус (четвертого типа); Е - металлополимерный корпус с параллельным двухрядным расположением выводов (второго типа); И - стеклокерамический планарный корпус (четвертого типа); М - металлокерамический, керамический или стеклокерамический корпус с параллельным двухрядным расположением выводов (второго типа); Н - кристаллоноситель (безвыводной); Р - пластмассовый корпус с параллельным двухрядным расположением выводов (второго типа); С - стеклокерамический корпус с двухрядным расположением выводов; Ф - микрокорпус. Бескорпусные микросхемы характеризуются буквой "Б" (перед номером серии), а в конце условного обозначения через дефис вводится цифра, характеризующая модификацию конструктивного исполнения: 1 - с гибкими выводами; 2 - с ленточными выводами, в том числе на полиимидной пленке; 3 - с жесткими выводами; 4 - неразделенные на общей пластине; 5 - разделенные без потери ориентировки; 6 - с контактными площадками без выводов (кристалл).
Третий элемент (одна цифра) указывает группу микросхемы по конструктивно-технологическому признаку: 1, 5, 6, 7 - полупроводниковые; 2, 4, 8 - гибридные; 3 - прочие (пленочные, керамические, вакуумные).
Четвертый элемент (две или три цифры) - определяет порядковый номер разработки серии. В совокупности третий и четвертый элементы обозначают номер конкретной серии.
Пятый элемент (две буквы) обозначает функциональное назначение микросхемы. В зависимости от выполняемых функций микросхемы подразделяются на подгруппы (генераторы, триггеры, усилители) и виды (преобразователи длительности, напряжения, частоты). Классификация микросхем по функциональному назначению приведена в табл. 1.1.1.
Шестой элемент - порядковый номер разработки в конкретной серии (среди микросхем одного вида). Следующие затем буквы от "А" до "Я" указывают на разбраковку (допуск на разброс) по электрическим параметрам.
Таблица 1.1.1
Классификация ИМС по функциональным признакам
ОбозначениеПодгруппа и вид микросхем ОбозначениеПодгруппа и вид микросхем ФормирователиСхемы вторичных источников питанияАА Адресных токовЕВВыпрямителиАГ Импульсов прямоугольной формыЕКСтабилизаторы напряжения импульсныеАП ПрочиеЕМПреобразователиАРРазрядных токовЕНСтабилизаторы напряжения непрерывныеАФИмпульсов специальной формыЕППрочиеСхемы задержкиЕССистемы вторичных источников питанияБМ Пассивные ЕТСтабилизаторы токаБППрочиеЕУСхемы управления импульсными стабилизаторами напряженияБРАктивныеСхемы цифровых устройствСхемы вычислительных средствИААЛУВАСхемы сопряжения с магистральюИВШифраторыВБСхемы синхронизацииИДДешифраторыВВСхемы управления вводом-выводом (схемы интерфейса)ИЕСчетчикиВГКонтроллерыИККомбинированные схемыВЕМикроЭВМИЛПолусумматорыВЖСпециализированные схемыИМСумматорыПродолжение табл.1.1.1
ОбозначениеПодгруппа и вид микросхем ОбозначениеПодгруппа и вид микросхем ВИВремязадающие схемыИППрочиеВККомбинированные схемыИРРегистрыВММикропроцессорыКоммутаторы и ключиВНСхемы управления прерываниемКННапряженияВППрочиеКППрочиеВРФункциональные расширителиКТТокаВСМикропроцессорные секцииЛогические элементыВТСхемы управления памятьюЛАЭлементы И-НЕВУСхемы микропрограммного управленияЛБЭлементы И-НЕ/ИЛИ-НЕВФФункциональные преобразователи информацииЛДРасширителиВХМикрокалькуляторыЛЕЭлементы ИЛИ-НЕГенераторыЛИЭлементы ИГГПрямоугольных сигналов (мультивибраторы, блокинг-генераторы)ЛКЭлементы И-ИЛИ-НЕ/И-ИЛИГЛЛинейно-изменяющихся сигналовЛЛЭлементы ИЛИГМШумаЛМЭлементы ИЛИ-НЕ/ИЛИГППрочиеЛНЭлементы НЕГСГармонических сигналовЛППрочиеГФСигналов специальной формыЛРЭлементы И-ИЛИ-НЕДетекторыЛСЭлементы И-ИЛИДААмплитудныеДИИмпульсныеМодуляторыДППрочиеМААмплитудныеДСЧастотныеМИИмпульсныеДФФазовыеМППрочиеНаборы элементовМСЧастотныеНДДиодовМФФазовыеНЕКонденсаторовНККомбинированныеПреобразователи сигналовНППрочиеПАЦифроаналоговыеНРРезисторовПВАналогоцифровыеНТТранзисторовПДДлительностиНФФункциональныеПЕУмножители частоты аналоговыеПродолжение табл.1.1.1
ОбозначениеПодгруппа и вид микросхем ОбозначениеПодгруппа и вид микросхем Схемы запоминающих устройствПИДелители частоты аналоговыеПЛСинтезаторы частотыРВМатрицы ПЗУПММощностиРЕПЗУ масочныеПННапряжения (тока)РММатрицы ОЗУПППрочиеРППрочиеПРКод-кодРРЭППЗУПСЧастоты (в том числе перемножители аналоговых сигналов)РТПЗУ с возможностью однократного программированияПУУровня (согласователи)РУОЗУПЦДелители частоты цифровыеРФПЗУ с УФ-стиранием и электрической записью информацииТриггерыСхемы сравненияТВУниверсальные (типа JK)САКомпараторы напряженияТДДинамическиеСВВременныеТККомбинированныеСКАмплитудные (уровня сигнала)ТЛШмиттаСППрочиеТМС задержкой (типа D)ССЧастотныеТППрочиеТРС раздельным запуском (типа RS)УсилителиТТСчетные (типа T)УВВысокой частотыФильтрыУДОперационные усилителиФВВерхних частотУЕПовторителиФЕПолосовыеУИИмпульсных сигналовФННижних частотУКШирокополосныеФППрочиеУЛСчитывания и воспроизведенияФРРежекторныеУМИндикацииМногофункциональные схемыУННизкой частотыХААналоговыеУППрочиеХККомбинированныеУРПромежуточной частотыХЛЦифровыеУТПостоянного тока
Окончание табл.1.1.1
ОбозначениеПодгруппа и вид микросхем ОбозначениеПодгруппа и вид микросхем ХМЦифровые матрицы (в том числе программируемые)Фоточувствительные схемы с зарядовой связьюХНАналоговые матрицыЦЛЛинейныеХППрочиеЦММатричныеХТКомбинированные матрицыЦППрочие Корпуса микросхем
Для защиты кристаллов и подложек от климатических и механических воздействий служат корпуса ИМС. Корпус состоит из основания и крышки. Основание изготавливается из стекла, металла, керамики или их сочетаний. В основании монтируются конструктивные элементы, необходимые для монтажа кристаллов, и проводники, коммутирующие элементы микросхемы с платой. По форме проекции тела корпуса интегральной микросхемы на плоскость основания и расположению выводов корпуса подразделяются на типы и подтипы (1.1.2).
Условное обозначение корпуса состоит из шифра типоразмера корпуса, числа, указывающего количество выводов, и номера модификации. Шифр типоразмера корпуса состоит из обозначения типа корпуса (1, 2, 3 и т.д.) и двухзначного числа (от 01 до 99), означающего номер типоразмера. Например, корпус 201.14-2 - прямоугольный корпус типа 2, типоразмера 01, число выводов 14, модификация вторая.
Обозначение корпуса при записи в конструкторской документации должно состоять из слова "корпус", типоразмера микросхемы, цифрового индекса, порядкового регистрационного номера и обозначения стандарта. Например, корпус 201.14-5 ГОСТ 17467-88.
По конструктивно-технологическому исполнению корпуса подразделяются на:
1) металлостеклянные;
2) стеклянные;
3) металлокерамические;
4) керамические;
5) пластмассовые;
6) металлополимерные.
Таблица 1.1.2
Типы корпусов интегральных микросхем по ГОСТ 17467-88
ТипПодтипФорма проекции корпуса на плоскость основанияРасположение проекции выводов (выводных площадок) на плоскость основанияРасположение выводов (выводных площадок) относительно основанияНомер рисунка111ПрямоугольнаяВ пределах проекции тела корпусаПерпендикулярное, в один рядРис.1.1.3, а12Перпендикулярное, в два рядаРис.1.1.3, б13Перпендикулярное, в три рядаРис.1.1.3, в14Перпендикулярное, по контуру прямоугольникаРис.1.1.3, г15В пределах проекции тела корпуса до формовкиПерпендикулярное, в один ряд или в отформованном виде, в два рядаРис.1.1.3, д221ПрямоугольнаяЗа пределами проекции тела корпусаПерпендикулярное, в два рядаРис.1.1.4, а22Перпендикулярное, в четыре ряда в шахматном порядкеРис.1.1.4, б331КруглаяВ пределах проекции тела корпусаПерпендикулярное по одной окружностиРис.1.1.5, а32ОвальнаяРис.1.1.5, б441ПрямоугольнаяЗа пределами проекции корпусаПараллельное, по двум противоположным сторонамРис.1.1.6, а42Параллельное, по четырем сторонамРис.1.1.6, б551ПрямоугольнаяВ пределах проекции тела корпусаПерпендикулярное, для боковых выводных площадок по четырем сторонам; в плоскости основания, для нижних выводных площадокРис.1.1.7, а52Перпендикулярное, для боковых площадок по двум сторонамРис.1.1.7, б661КвадратнаяВ пределах проекции тела корпусаПерпендикулярное, в четыре и более рядовРис.1.1.8, а62Перпендикулярное, в два и более рядов со стороны крышки корпусаРис.1.1.8, б Металлостеклянными называют корпуса, изготовленные из металлического основания с выводами, изолированными стеклом. Выводы в основании корпуса герметизируют металлостеклянным спаем при помощи стеклянных бус или стеклотаблеток. Бусой изолируется каждый вывод в отдельности, таблеткой - группа выводов. Спай стекла с металлом должен быть согласован по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР). По ТКЛР со стеклами наиболее близок ковар, который обычно и применяется в качестве основания металлостеклянного корпуса. а)б) в)г)д)Рис.1.1.4. Конструкции корпусов типа 1
а)б)Рис.1.1.5. Конструкции корпусов типа 2
а)б)Рис.1.1.6. Конструкции корпусов типа 3
а)б)Рис.1.1.6. Конструкции корпусов типа 4
а)б)Рис. 1.1.7. Конструкции корпусов типа 5
а)б)Рис.1.1.8. Конструкции корпусов типа 6
Стеклянными называют корпуса, основания которых изготовлены из стекла с впаянными в стекло выводами. Такие корпуса могут иметь как стеклянные, так и металлические крышки. Для монтажа микросхем используются корпуса без металлической площадки и с металлической площадкой.
Металлокерамическими называют корпуса, в которых керамическая подложка является основанием, герметизация выводов производится припоем.
Керамическими называют корпуса, изготовленные из керамики с герметизацией выводов стеклоэмалью или стеклоприпоем. Керамические и металлокерамические корпуса применяют преимущественно для толстопленочных микросхем.
Пластмассовыми называют корпуса, изготовленные из пластмассы с выводами, впрессованными в процессе литья или герметизации. Пластмассовые корпуса широко применяются для полупроводниковых микросхем при массовом производстве.
Металлополимерными называют корпуса, в которых для защиты ИМС используется металлическая крышка, выводы герметизируются заливкой компаундом. Металлополимерные корпуса применяют преимущественно для толстопленочных микросхем.
Герметизация корпусов (соединение крышки с основанием) производится следующими методами: холодной сваркой; конденсаторной сваркой; электронно-лучевой сваркой; сваркой токами высокой частоты; аргонно-дуговой сваркой; пайкой мягкими припоями; легкоплавкими стеклоэмалями и стеклоприпоями; заливкой компаундом; синтетическими клеями.
Для защиты от коррозии корпуса подвергают золочению, анодированию, а также покрывают лаками и эмалями.
Топология микросхем
Топология интегральных микросхем - это зафиксированное на материальном носителе пространственно-геометрическое расположение совокупности элементов интегральной микросхемы и связей между ними.
При проектировании топологии сложных ИМС, как правило, используются автоматизированные системы проектирования. Исходными данными для разработки топологии являются: электрическая принципиальная схема; размеры подложки; посадочные места кристаллов и координаты контактных площадок; шаг опорной сетки; конструктивно-технологические ограничения (ширина проводников, расстояние между проводниками, размеры контактных площадок и межслойных контактов, возможность проведения проводников между контактами навесных элементов и др.); пространственная ориентация кристаллов; области подложки, занятые шинами питания, контактными площадками для внешних выводов; фиксированное положение контактных площадок для подключения питания, заземления и других цепей, устанавливаемое исходя из упрощения коммутационной платы; посадочные места некоторых кристаллов, определяемые конструктором из особенностей функционирования интегральных схем, обеспечения помехоустойчивости, нормальных тепловых режимов, связи кристаллов с внешними контактными площадками и т.п. Спроектированная топология должна удовлетворять всем предъявляемым электрическим, конструктивным и технологическим требованиям и ограничениям; обеспечивать возможность экспериментальной проверки электрических параметров элементов схемы; давать возможность сокращения числа технологических операций и стоимости изготовления; плотность размещения элементов должна быть по возможности максимальной.
На рис. 1.1.9 приведены электрическая принципиальная схема логического элемента ИЛИ-НЕ и эскиз его топологии в гибридном исполнении.
а)
б)
в)
Рис. 1.1.9. Электрическая принципиальная схема логического элемента ИЛИ-НЕ (а) и эскиз его топологии при гибридной технологии изготовления с двусторонним расположением элементов на коммутационной плате (б - вид спереди, в - вид сзади)
Задание для самостоятельной работы
Изучение конструкции корпусов микросхемы
1. Получить у преподавателя микросхемы.
2. Определить подтип каждого корпуса, используя таблицу 1.1.2.
3. Определить конструктивно-технологическое исполнение (конструкцию) корпуса для каждой микросхемы.
4. Определить способ заделки (герметизации) внешних выводов (запрессовка, спай стекла с металлом и т.д.).
5. Определить способ герметизации корпуса (способ соединения крышки с основанием корпуса).
6. Результаты выполнения задания занести в таблицу.
Условное обозначение ИМСФункциональное назначение ИМСТип корпусаПодтип корпусаУсловное обозначение корпусаКонструктивно-технологическое исполнение корпусаГерметизация выводовСпособ герметизации корпусаК284УД1АОперационный усилитель112151.15-4МеталлостеклянныйСпай стекла с металломСварка 7. В соответствии с системой условных обозначений ИМС дать расшифровку каждого элемента маркировки микросхем.
8. Выполнить чертеж конструкции корпуса для каждой микросхемы в соответствии с ЕСКД.
Изучение конструкции и топологии полупроводниковых
и гибридных микросхем
1. Получить у преподавателя гибридную и полупроводниковую микросхемы.
2. Определить функции, выполняемые микросхемами, используя таблицу 1.1.1.
3. Определить конструкцию и подтип корпуса в соответствии с ГОСТ 17467-88.
4. Определить способ герметизации микросхем.
5. Определить способ соединения кристалла с корпусом микросхемы. 6. Определить плотность упаковки и степень интеграции микросхем.
7. В соответствии с системой условных обозначений ИМС дать расшифровку каждого элемента маркировки микросхем.
8. Начертить принципиальную электрическую схему заданных ИМС.
9. Выполнить эскиз топологии полупроводниковой и гибридной ИМС.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение интегральной микросхемы, элемента и компонента ИМС.
2. По каким признакам классифицируют ИМС?
3. Какие ИМС называют пленочными, полупроводниковыми и гибридными?
4. Система условных обозначений ИМС.
5. Как определяют степень интеграции ИМС?
6. Какие ИМС называют цифровыми и аналоговыми?
7. Функциональное назначение корпуса ИМС.
8. Условное обозначение корпуса ИМС.
9. Конструктивно-технологическое исполнение корпусов ИМС.
10. Способы герметизации корпуса и внешних выводов.
11. Дайте определение топологии ИМС.
1.2. Разработка эскиза общего вида и топологии печатной платы ручным способом
Общие сведения
Топологическое конструирование печатных плат является одним из наиболее трудоемких процессов, выполняемых конструктором при разработке конструкции ЭВС.
Исходными данными для разработки являются:
а) электрическая принципиальная схема (Э3) (рис.1.2.1);
1. Выводы 14 всех микросхем подключить к цепи А (+ 5 В)
2. Выводы 07 всех микросхем подключить к цепи В (Земля)Рис. 1.2.1. Электрическая принципиальная схема
б) перечень элементов (табл.1.2.1).
При ручной разработке приняты следующие этапы конструирования:
1) анализ электрической принципиальной схемы;
2) расчет габаритных размеров ПП;
3) графическая, аппликационная или модельная компоновка узла;
4) разработка компоновочного эскиза;
5) расчет элементов ПП;
6) разработка эскиза ПП.
Таблица 1.2.1
Перечень элементов
Позиция обознач.НаименованиеКол-воПримечанияКонденсаторС1КМ-6-М90-0,15 мкф ОЖО.460.061.741МикросхемыDD1155ЛР11DD2155ЛА21DD3155ЛА31DD4155ЛА41 Этап 1. Анализ электрической принципиальной схемы. Анализ производится на основе схемы и перечня элементов с использованием справочника и включает:
а) определение назначения и функционирования схемы, например:
Схема электрическая логическая (вариант 1);
б) анализ элементной базы, например:
155ЛР1 - 2 элемента 2И-2ИЛИ-НЕ, один расширенный по ИЛИ;
155ЛА3 - 4 элемента 2И-НЕ и т.д. Условные графические обозначения (УГО) представлены на рис. 1.2.2.
в) изучение электрических параметров элементов;
Обозначение параметра155ЛА2155ЛА3155ЛА4155ЛР1Рпот, мВт261108073U1вых, В, не менее2,42,42,42,4U0вых, В, не менее0,40,40,40,4I0вх, мА, не более-1,6-1,6-1,6-1,6I1вх, мкА, не более40404040Uп ст, В0,40,40,40,4Краз10101010 г) выявление установочных и присоединительных размеров элементной базы (рис.1.2.3);
д) выявление критических элементов по тепловому режиму: интервал рабочих температур, оС: от -10 до +70.
Рис. 1.2.2. Условные графические обозначения
Этап 2. Расчет габаритных размеров ПП.
Для расчета габаритных размеров поле ПП делится на два участка: основной - для монтажа микросхем, вспомогательный - для монтажа остальных элементов (рис. 1.2.4).
Рис.1.2.3. Установочные и присоединительные размеры ИМС
Основной участок делят на зоны, в каждой из которых находится посадочное место под одну микросхему. Размеры посадочного места определяются по табл. 1.2.2 в зависимости от типа корпуса интегральной микросхемы (ИМС).
Таблица 1.2.2
Данные для определения размеров посадочного места микросхем
Тип корпуса по ГОСТ 17467-79Число выводовШаг установки ИМС по осям, мм (см. рис.1.2.4)lX1lY11203.14-51427,5221206.14-51429251207.14-51429391211.28-52857,532,52102.14-51427,517,5
Продолжение табл.1.2.2
2130.24-52450252207.48-5487047,53101.8-5812,512,53103.12-51217,517,54105.141415204106.161617,5204138.42-5424037,5 Координаты посадочного места задаются числами и буквами. Вспомогательный участок la (табл.1.2.3) предназначен для размещения электрического соединителя. Вспомогательный участок lб предназначен для установки на ПП элементов контроля, ручек, съемников и т.п. Размеры этих участков зависят от установочных размеров выборочных элементов электрического монтажа модулей и конструктивных элементов контроля, а также типов корпусов ИМС (см. табл. 1.2.3).
Таблица 1.2.3
Данные для определения установочных размеров электрического соединителя
Тип электрического соединителя (число контактов), тип кабеляТип корпуса микросхем или микросборки по ГОСТ1203.14-5
1206.14-5
1207.14-51211.28-52102.14-5
2130.24-5
2207.48-83101.8-5
3103.10-54105.14-5
4106.16-5
4138.45-2laГРПП3 (14, 36, 46, 58)17,52017,51517,5ГРПП3 (24)1517,51512,515ГРПМ1-ШУ (31, 45, 61, 90)22,52522,52022,5ГРПМ1-ШУ (122)27,53027,52525ГРПМ1-ГУ 2527,52522,525ГРПМ9-У 2022,22017,520ГРПМ9-Н17,52017,51517ГРППА1517,52017,51517ГРППМ7-903032,53027,530ГРППМ8-483032,53027,530РППМ17-4817,52017,51517,5РПП8 (8, 16)1517,51512,512,5РППМ8 (9, 15, 31)1517,51512,515РППМ (40)2022,52017,520РППММ2 (142)12,51512,512,512,5СНП34 (135)1517,51512,515ГПК с металлическими отверстиями2527,52522,525Продолжение табл.1.2.3
ГПК с контактами-лепестками, кабель тканый и опрессованный2527,5252525Жгут объемный3537,5353535lбКонтактная колодка с запайкой штырей в металлизированные отверстия12,51512,512,512,5Колодка с использованием контактных площадок12,51512,512,512,5Одиночные пистоны и контакты1012,5101010 На участках lб1 и lб2 размещаются маркировка и другие вспомогательные надписи. Размеры участков lб1 и lб2 зависят от типа корпуса ИМС, толщины печатной платы и методов установки корпуса. Рекомендуемые значения lб1 и lб2 приведены в табл. 1.2.4.
Таблица 1.2.4
Тип корпуса микросхем и микросборокТолщина печатной платыдо 1,0 ммдо 2,0ммlб1lб21203.14-5551206.14-5, 1207.14-57,57,51211.28-5, 2101.14-5, 213024-52,552207.48-5553101.8-52,553103.12-5, 4105.14-52,554106.14-5554106.16-2254138.422,55 Таким образом, габаритный размер ПП определяется как
(1.2.1)
(1.2.2)
где ly1 и lx1- шаг установки ИМС по осям, мм; ny, nx - количество посадочных мест по осям.
Количество возможных размеров ly и lx и их сочетаний велико, до 100 мм можно применять любые размеры, кратные 2,5 мм; до 350 мм - кратные 5 мм; свыше 350 мм - кратные 10 мм. Соотношение сторон должно быть 1:1, 1:2, 1:4, 2:3, 2:5 и т.д.
Рис.1.2.4. Габаритные размеры ПП
Размеры плат и их толщина связаны так, как представлено в табл. 1.2.5.
Таблица 1.2.5
Толщина, мм0,81,01,52,52,53,0Размеры сторон, мм80100150200300400 Этап 3. Графическая, аппликационная или модельная компоновка узла.
При разработке эскиза аппликационным методом на листе миллиметровой бумаги в масштабе 1:1, 2:1 или 4:1 обводят контуры ПП, тонкими линиями наносят координатную сетку. Шаг основной координатной сетки равен 2,5 мм, дополнительной - 1,25 мм. Линии координатной сетки нумеруют. Из плотной бумаги или картона изготавливают элементы согласно перечню элементов к заданной принципиальной электрической схеме в том же масштабе, что и контуры платы. При изготовлении аппликации необходимо пользоваться стандартами или ТУ на элементы "Установка навесных элементов на ПП".
При размещении элементов на ПП необходимо пользоваться следующими правилами:
- количество элементов должно быть меньше или равно количеству посадочных мест на плате:
N M, (1.2.3)
где N - количество элементов; М - количество посадочных мест;
- размещение элементов выполняется по критерию минимальной суммарной длины связей:
(1.2.4)
где J - количество связей проводников;
- должна быть соблюдена равномерность теплового поля по площади платы:
(1.2.5)
где Тпл - тепловое поле платы; S - площадь платы.
Вырезанные контуры элементов размещают на поле ПП в соответствующие посадочные места. При этом группа элементов, имеющая наибольшее число внешних связей (в соответствии с электрической принципиальной схемой), размещается вблизи соединителя (разъема); группа элементов, имеющая наибольшее число связей с уже размещенной группой элементов, располагается рядом и т.д.
Размещение элементов выполняется при минимальных значениях длин связей, количества переходов печатных проводников со слоя на слой, паразитных связей. Кроме того, если возможно, необходимо выполнить равномерное распределение масс элементов по полю ПП с установкой элементов с большей массой вблизи мест крепления платы.
Этап 4. Разработка компоновочного эскиза.
После удачного размещения элементов на основном поле ПП выполняют трассировку (разводку) проводников в соответствии с принципиальной электрической схемой и обводят контуры элементов. В двусторонней плате проводники, расположенные на стороне пайки, обозначаются другим цветом или пунктиром. При трассировке рекомендуется изображать все горизонтально расположенные фрагменты цепей на одной стороне платы, а вертикально расположенные - на другой. Проводники "земли" и "питания" должны находиться на разных сторонах ПП. Полученный документ называется эскизом ПП. Компоновочный эскиз служит основой для разработки чертежа ПП и сборочного чертежа узла. На основании эскиза ПП можно выполнить расчеты элементов печатного монтажа, теплового режима, паразитной емкости, надежности.
Задание для самостоятельной работы
1. Выполнить анализ схемы согласно этапу 1 раздела "Общие сведения".
2. Рассчитать габаритные размеры ПП, пользуясь табл. 1.2.1 - 1.2.4 и формулами (1.2.1) и (1.2.2).
3. Начертить на миллиметровой бумаге контуры ПП в масштабе 2:1, нанести координатную сетку с шагом 2,5 мм, пронумеровать линии координатной сетки.
4. Начертить контуры элементов схемы в масштабе 2:1 в соответствии со справочными данными.
5. Расположить элементы на поле чертежа в соответствии с электрической принципиальной схемой согласно этапу 3. При этом следует стремиться к тому, чтобы печатные проводники были как можно короче, а количество переходных отверстий минимально.
6. Плату выполнить односторонней или двусторонней.
7. После удачного расположения элементов на основном поле выполнить эскиз ПП согласно этапу 4.
Примечание. Варианты заданий, содержащих электрические принципиальные схемы, перечень элементов, сведения об условиях работы, выдаются преподавателем.
Отчет о проделанной работе
Отчет должен содержать: анализ схемы; расчет габаритных размеров ПП; эскиз ПП.
Контрольные вопросы
1. Какие исходные данные используются при конструировании ПП при ручной разработке?
2. Каков порядок конструирования ПП?
3. В чем заключается анализ электрической принципиальной схемы?
4. Как рассчитываются габаритные размеры ПП?
5. Каковы критерии оптимального размещения элементов на ПП?
6. Как производится размещение элементов на плате методом аппликации?
7. Что такое эскиз общего вида, для чего он служит?
1.3. Разработка конструкции печатной платы
Общие сведения
Конструкции печатных плат характеризуются группой параметров: структурных, геометрических и электрических.
К структурным параметрам относятся общее число слоев и их конструкция (односторонние и двусторонние). Структуру конструкции печатной платы образуют элементы конструкции: соединительные проводники и зазоры между ними, контактные площадки и зазоры между ними и соединительными проводниками, технологические, монтажные, крепежные и металлизированные отверстия, посадочные места под ИЭТ и электрические соединители, экраны, вырезы в экранах. Форма металлизированных отверстий, как правило, выбирается круглая; форму остальных элементов желательно выбирать прямоугольной или состоящей из прямоугольников, соединенных различными способами.
К геометрическим параметрам относятся ширина печатных проводников на сигнальных слоях и зазоров между проводниками, диаметры металлизированного отверстия и зенковки; ширина зазора между металлизированными отверстиями и между отверстиями и проводниками; расстояние между сигнальными и потенциальными слоями, в частности между слоями питания и земли; шаг сетки и ширина проводников на потенциальных слоях; толщина печатной платы заданной структуры и ее отклонение от номинала.
К электрическим параметрам относятся погонное сопротивление и погонная емкость (или волновое сопротивление) печатных проводников на сигнальных слоях, коэффициент связи между печатными проводниками, определяемый уровнем взаимных помех. Все параметры конструкции печатных плат взаимосвязаны. Электрические параметры определяют требования к трассировке, геометрическим параметрам сигнальных проводников и расположению сигнальных и потенциальных слоев относительно друг друга. При отсутствии требований к электрическим параметрам печатных плат число слоев и их расположение полностью зависят от технологического процесса изготовления печатных плат.
Разработку конструкции печатной платы рекомендуется проводить по следующим этапам:
1) изучение технического задания на изделие (печатный узел, электронный модуль), в состав которого входит конструируемая печатная плата;
2) определение условий эксплуатации и группы жесткости;
3) выбор типа конструкции и класса точности печатной платы;
4) выбор материала основания;
5) выбор конструктивного покрытия;
6) размещение изделий электронной техники (ИЭТ);
7) выбор размеров, форм и расположения элементов проводящего рисунка;
8) выбор метода маркировки и ее расположения;
9) выполнение чертежа печатной платы и документации к нему.
Рассмотрим подробнее порядок проектирования ПП.
Этап 1. Изучение технического задания на изделие.
Условия эксплуатации, хранения и транспортирования определяют на основании требований технического задания на изделие, в состав которого входит конструируемая печатная плата.
Этап 2. Определение условий эксплуатации и группы жесткости.
В зависимости от условий эксплуатации определяют по ГОСТ 23752 группу жесткости, предъявляющую соответствующие требования к используемому материалу основания и необходимости применения дополнительной защиты от климатических, механических и других воздействий, и записывают в технических требованиях чертежа.
Этап 3. Выбор типа конструкции и класса точности печатной платы.
При выборе типа конструкции печатной платы следует учитывать:
- возможность выполнения всех коммутационных соединений;
- технико-экономические показатели;
- стоимость основного материала;
- возможность автоматизации процессов изготовления, контроля и диагностики установки ИЭТ.
По типу конструкции печатные платы подразделяются на односторонние, двусторонние и многослойные.
ОПП характеризуется возможностью обеспечивать повышенные требования к точности выполнения рисунка; установкой элементов на поверхность платы со стороны, противоположной стороне пайки, без дополнительной изоляции; возможностью использования перемычек из проводникового материала; низкой стоимостью конструкции. Поперечный размер конструкции ОПП приведен на рис. 1.3.1, а.
а)
б)
Рис.1.3.1. Поперечный размер конструкции ПП:
а - односторонняя ПП, б - двусторонняя ПП
Нп - толщина ПП; Нм - толщина материала основания ПП; Нпс - суммарная толщина ПП; h - толщина проводящего рисунка; hп - толщина химико-гальванического покрытия; L - расстояние между центрами (осями) элементов конструкции ПП; hф - толщина фольги; b - гарантийный поясок; D - диаметр контактной площадки; d - диаметр отверстия; s - расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка; t - ширина печатного проводника; Q - расстояние от края ПП, выреза паза до элементов проводящего рисунка
ДПП характеризуются возможностью обеспечивать высокие требования к точности выполнения проводящего рисунка. высокими коммутационными свойствами, повышенной прочностью соединения вывода навесного элемента с проводящим рисунком платы, более высокой стоимостью, чем ОПП. Поперечный разрез конструкции ДПП приведен на рис. 1.3.1, б. Возможности трассировки (прокладки соединительных печатных проводников) растут вдоль ряда ОПП - ДПП - МПП, но также возрастает трудоемкость изготовления.
Изготовление печатных плат определенного класса точности по ГОСТ 23751 обеспечивают в соответствии с табл.1.3.1.
Таблица 1.3.1
Область применения и технологическое обоснование классов точности печатных плат
Класс точности Область примененияОсновные материалыСерийность производства1-2Для печатных плат с дискретными ИЭТ при малой и средней насыщенности поверхности печатной платы ИЭТБез ограничения для печатных плат 1-й и 2-й групп жесткости по ГОСТ 23752. Для 3-й и 4-й групп жесткости на основе стеклотканиОт мелкосерийного до крупносерийного3Для печатных плат с микросборками и микросхемами, имеющими штыревые и планарные выводы, а также с безвыводными ИЭТ при средней и высокой насыщенности поверхности печатной платы ИЭТНа основе стеклоткани с гальваностойкой фольгой толщиной не более 35 мкмОт мелкосерийного до крупносерийного4Для печатных плат с микросхемами, имеющими штыревые и планарные выводы, а также с безвыводными ИЭТ при высокой насыщенности поверхности печатной платы ИЭТТравящиеся термостойкие диэлектрики с тонкомерной фольгой, диэлектрики с адгезионным слоемОт одиночного до мелкосерийного5Для печатных плат с БИС, СБИС и микросборками, имеющими штыревые и планарные выводы при очень высокой насыщенности поверхности печатной платы ИЭТТравящиеся термостойкие диэлектрики с тонкомерной фольгой, диэлектрики с адгезионным слоемОт одиночного до мелкосерийного Печатные платы 1-го и 2-го классов точности наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость; 3-го класса - требуют использования высококачественных материалов, более точного инструмента и оборудования; 4-го и 5-го классов - требуют ограничения габаритных размеров, специальных материалов, прецизионного оборудования, особых условий для изготовления.
Этап 4. Выбор материала основания.
Материалы для ПП выбирают по ГОСТ 10316 или техническим условиям. Материалы, рекомендуемые для изготовления ДПП и ОПП, приведены в табл. 1.3.2.
Таблица 1.3.2
Материалы, рекомендуемые для изготовления печатных плат
Наименование материалаМаркаОбласть примененияГетинакс фольгированный общего назначенияГОФ-1-35Г; ГОФ-2-35Г; ГОФВМ-1-35Г; ГОФВМ-2-35ГОПП для аппаратуры народно-хозяйственного потребленияСтеклотекстолит общего назначения негорючий фольгированныйСОНФ-1; СОНФ-2ОПП, ДППСтеклотекстолит теплостойкий негорючий фольгированныйСТНФ-1; СТНФ-2ОПП, ДПП устойчивые к возгораниюСтеклотекстолит фольгированный повышенной нагревостойкостиСФПН-1-50; СФПН-2-50ОПП и ДПП повышенной нагревостойкостиСтеклотекстолитСТФЭ-1-2ЛКДППСтеклотекстолит фольгированный теплостойкийСТФ-1; СТФ-2ОПП, ДПП повышенной нагревостойкостиДиэлектрик фольгированный самозатухающийДФС-1; ДФС-2ОПП, ДППСтеклотекстолит с двусторонним адгезивным слоемСТЭКДПП, изготавливаемые по аддитивной технологии, 1-3 классов точностиСтеклотекстолит теплостойкий для полуаддитивной технологииСТПА-5-1; СТПА-5-2ОПП, ДПП с высокой плотностью проводящего рисунка Материал основания выбирают с учетом обеспечения физико-механических и электрических параметров печатных плат во время и после воздействия механических нагрузок, климатических факторов и химических агрессивных сред в процессе эксплуатации.
Для изготовления печатных плат с металлизированными отверстиями следует использовать материалы с гальваностойкой фольгой.
Для печатных плат, предназначенных для эксплуатации в условиях 1-й и 2-й групп жесткости по ГОСТ 23752, рекомендуется применять материалы на основе бумаги, для 3-й и 4-й групп жесткости - на основе стеклоткани, полиимида, лавсана.
Этап 5. Выбор конструктивного покрытия.
Для обеспечения стабильности электрических, механических и других параметров печатных плат необходимо применять конструктивные покрытия как металлические, так и неметаллические.
В качестве конструктивных металлических покрытий рекомендуется использовать металлы и сплавы, приведенные в табл.1.3.3.
Таблица 1.3.3
Материалы для конструктивных покрытий
Вид покрытияТолщина, мкмНазначение покрытияСплав Розе1,5 - 3,0Защита от коррозии, обеспечение паяемостиСплав олово-свинец9 - 15Защита от коррозии, обеспечение паяемостиСеребряное6 - 12Улучшение электрической проводимостиСеребро - сурьма6 - 12Улучшение электрической проводимости и повышение износоустойчивости контактов переключателей и концевых контактовЗолото и его сплавы0,5 - 3,0Улучшение электрической проводимости, снижение переходного сопротивления и повышение износоустойчивостиПалладиевое1 - 5Снижение переходного сопротивления, повышение износоустойчивости контактов переключателей и концевых контактовНикелевое3 - 6Защита от коррозии, повышение износоустойчивости контактов переключателей и концевых контактовМедное25 - 30Обеспечение электрических параметров, соединение проводящих слоев Неметаллические конструктивные покрытия (защитные маски) используются для защиты: - печатных проводников и поверхности основания печатной платы от воздействия припоя;
- элементов проводящего рисунка от замыкания навесных ИЭТ и других конструкционных элементов.
Для защиты печатных проводников и поверхности основания печатной платы от воздействия припоя используют диэлектрические защитные покрытия на основе эпоксидных смол, сухого пленочного резиста, холодных эмалей, окисных пленок.
Этап 6. Размещение ИЭТ.
Выбор варианта установки ИЭТ, их размещение на печатной плате описано в разделе 1.2.
Этап 7. Выбор размеров, форм и расположения элементов рисунка.
Размеры, формовку, а также места крепления печатных плат выбирают в зависимости от установочных размеров, элементной базы, эксплуатационных характеристик, использования автоматизированной установки ИЭТ, пайки, контроля и технико-экономических показателей.
Если нет каких-либо ограничений, ПП должна быть квадратной или прямоугольной, а линейные размеры ее сторон - кратными (ГОСТ 10317):
- 2,5 - при длине до 100 мм;
- 5,0 - при длине до 350 мм;
- 10,0 - при длине более 350 мм.
Максимальный размер любой из сторон должен быть не более 470 мм, а соотношение линейных размеров сторон ПП - не более 3:1.
На печатной плате должен располагаться ориентирующий элемент, обеспечивающий ее однозначное положение в прямоугольной системе координат. В качестве ориентирующего элемента может быть использовано одно из фиксирующих отверстий: паз, вырез, окно и т.д.
При выборе толщины печатной платы следует учитывать, что с увеличением диаметра отверстий усложняется технология нанесения металлизации, поэтому рекомендуется увязывать диаметр металлизированного отверстия do и толщину печатной платы таким образом, чтобы соотношение do/Нп было не менее 1:3.
Диаметры монтажных и переходных отверстий металлизированных и неметаллизированных выбирают с учетом толщины ПП (табл.1.3.4). Номинальное значение диаметра монтажного отверстия d (мм) рассчитывают по формуле
d = dэ + r + |Δd| , (1.3.1)
где dэ - максимальное значение диаметра вывода навесного ИЭТ, устанавливаемого на печатную плату (для прямоугольного вывода за диаметр берется диагональ его сечения); r - разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода (для прямоугольного - диагональ сечения) устанавливаемого ИЭТ. Величину r рекомендуется выбирать с учетом допусков на расположение выводов на корпусе устанавливаемого ЭРЭ; Δd - нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия (табл.1.3.5).
Таблица 1.3.4
Наименьшие номинальные значения основных размеров
элементов конструкции ПП, мм
Наименование расчетного элементаОбозначениеКласс точности 12345Ширина печатного проводникаt0,750,450,250,150,10Расстояние между краями соседних элементов проводящего рисункаs0,750,450,250,150,10Гарантийный поясокb0,300,200,100,050,025Отношение диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине ППγ0,400,400,330,250,20 Диаметр монтажного отверстия выбирают таким, чтобы величина r была в пределах 0,1 - 0,4 мм.
Количество типоразмеров любых отверстий на ПП следует ограничивать. Рекомендуется на ПП применять не более трех типоразмеров монтажных и переходных отверстий.
Контактные площадки выполняют прямоугольной, круглой или близкой к ним форме. Контактные площадки, имеющие специальное назначение, например обозначение расположения первого вывода многовыводного ИЭТ, выполняют по форме, отличной от остальных контактных площадок.
Наименьшее номинальное значение диаметра контактной плошадки d (мм) под выбранное отверстие рассчитывается по формуле
D = d + Δdво + 2b+Δtво+ 2Δdтр + (Td2 + TD2 + Δt2но )1/2, (1.3.2)
где Δdво - верхнее предельное отклонение диаметра отверстия (табл.1.3.5); Δdтр - величина подтравливания диэлектрика в отверстии, которая принимается равной 0,03 мм для МПП, для ОПП и ДПП - нулю; Td - позиционный допуск расположения оси отверстия (табл.1.3.6); TD - позиционный допуск расположения центра контактной площадки (табл.1.3.7); Δtво - верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки (табл.1.3.8); Δtно - нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки (табл.1.3.8).
Таблица 1.3.5
Предельные отклонения диаметра Δd, мм
Диаметр
отверс-
тия dНаличие металлизацииКласс точности12345До 1 ммБез металлизации±0,10±0,10±0,05±0,05±0,025Свыше
1 ммС металлизацией без оплавления+0,05
-0,15+0,05
-0,15+0,0
-0,10+0,0
-0,10+0,0
-0,10С металлизацией и с оплавлением+0,05
-0,18+0,05
-0,18+0,0
-0,13+0,0
-0,13+0,0
-0,13Без металлизации±0,15± 0,15± 0,10± 0,10± 0,10С металлизацией без оплавления+0,10
-0,20+0,10
-0,20+0,05
-0,15+0,05
-0,15+0,05
-0,15С металлизацией и с оплавлением+0,10
-0,23+0,10
-0,23+0,05
-0,18+0,05
-0,18+0,05
-0,18 Расчетную величину диаметра контактной площадки следует округлять в большую сторону до десятых долей миллиметра.
Для контактных площадок с формой, отличной от круглой, диаметр определяется диаметром вписанной окружности с центром в узле координатной сетки.
Таблица 1.3.6
Значение позиционных допусков расположения осей отверстий Td, мм
Размер ПП по большей стороне, ммКласс точности12345До 180 включительно0,200,150,080,050,05Свыше 180 до 3600,250,200,100,080,08Свыше 3600,300,250,150,100,10 Диаметры контактных площадок рекомендуется выполнять возможно большего размера. У неметаллизированных отверстий площадь контактной площадки, без учета площади отверстия, должна быть не менее 2,5 мм2 для ПП 1-го и 2-го классов точности и не менее 1,6 - для 3-го класса точности.
Ширину печатного проводника определяют в зависимости от электрических, конструктивных и технологических требований.
Наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника t (мм) рассчитывают по формуле
t = tмд + Δtно , (1.3.3)
где tмд - минимальное допустимое значение ширины печатного проводника (табл.1.3.4); Δtно - нижнее предельное отклонение ширины печатного проводника (табл.1.3.8).
Таблица 1.3.7
Значение позиционных допусков расположения центров контактных площадок TD, мм
Вид изделияРазмер ПП по большей стороне, ммКласс точности12345ОПП, ДППДо 180 вкл.0,350,250,150,100,05Св.180 до 3600,400,300,200,150,08Свыше 3600,450,350,250,200,15 Таблица 1.3.8
Предельные отклонения ширины печатного проводника, контактной площадки, концевого печатного контакта, экрана Δt для узкого места, мм
Наличие металлического покрытияКласс точности12345Без покрытия±0,15±0,10±0,05±0,03+0;-0,03С покрытием+0,25
-0,20+0,15
-0,10+0,10
-0,10+0,05
-0,05+0,03
-0,03 Расстояние между соседними элементами проводящего рисунка устанавливают в зависимости от электрических, конструктивных и технологических требований.
Наименьшее номинальное расстояние между соседними элементами проводящего рисунка s (мм) определяют по формуле
s = sмд + Δtво, (1.3.4)
где sмд - минимальное допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка (табл.1.3.4); Δtво - верхнее предельное отклонение ширины элемента проводящего рисунка (табл.1.3.8).
Расчет наименьшего номинального расстояния l, мм, для прокладки n-го количества печатных проводников между двумя отверстиями с контактными площадками диаметрами D1 и D2 производят по формуле
l = (d1 + D2)/2 + tn + s(n+1) + Tl, (1.3.5)
где n - количество печатных проводников; Tl - позиционный допуск расположения печатного проводника, который учитывается только при n > 0 (табл.1.3.9). Таблица 1.3.9
Значения позиционных допусков расположения печатного проводника Tl относительно соседнего элемента проводящего рисунка, мм
Вид изделияКласс точности12345ОПП, ДПП0,200,100,050,030,02 При необходимости электрическое сопротивление печатных проводников с покрытием Rc (Ом) определяют по формуле
, (1.3.6)
где ρ - удельное электрическое сопротивление; h - толщина печатного проводника с покрытием; k - количество участков печатного проводника на его расчетной длине, имеющих различную ширину; Li - длина i-го участка печатного проводника на i-м участке; ti - ширина печатного проводника на i-м участке.
При определении сопротивления печатного проводника, имеющего дополнительное покрытие толщиной менее 12 мкм с относительно высоким удельным сопротивлением (никелевым, оловянным, палладиевым), как правило, учитывают только сопротивление медного слоя, а сопротивление покрытий не принимают во внимание.
При толщине дополнительного покрытия более 12 мкм сопротивление печатного проводника определяют как сумму сопротивлений отдельных слоев.
Удельное электрическое сопротивление наиболее часто применяемых металлов приведено в табл. 1.3.10.
Этап 8. Выбор метода маркировки и ее расположения.
Маркировку (ГОСТ 2.314), наносимую на печатную плату, подразделяют на основную и дополнительную. Основная маркировка наносится обязательно и должна содержать: обозначение печатной платы или ее условный шифр; дату изготовления (год, месяц); порядковый номер изменения чертежа, относящегося только к изменению проводящего рисунка. Дополнительная маркировка наносится при необходимости и может содержать: порядковый или заводской номер печатной платы или партии печатных плат; позиционное или схемное обозначение ИЭТ или условный адрес их установки (Х5, У3, А8 и т.п.); цифровое обозначение первого вывода ИЭТ, точек контроля; обозначение положительного вывода полярного ИЭТ (знак "+").
Таблица 1.3.10
Удельное электрическое сопротивление часто применяемых металлов
МеталлУдельное электрическое сопротивление, 10-8Ом·мМеталлУдельное электрическое сопротивление, 10-8Ом·мМедная фольга1,72Золото2,22Гальваническая медь1,90Палладий10,80Химическая медь2,80Никель7,80Серебро1,59 Условный шифр печатной платы, порядковый номер изменения чертежа, относящегося только к изменению проводящего рисунка, рекомендуется выполнять способом, которым выполняется проводящий рисунок.
Маркировочные символы дополнительной маркировки при наличии свободного места следует выполнять печатным способом, которым выполняется проводящий рисунок.
Маркировочные символы, выполненные из проводникового материала, не должны уменьшать минимально допустимого расстояния между соседними элементами проводящего рисунка. Допускается частичное одностороннее касание контуров символа соседнего элемента проводящего рисунка.
Обозначение первого вывода многовыводного навесного ИЭТ и точек контроля рекомендуется располагать вне проекции контура устанавливаемого ИЭТ.
Этап 9. Выполнение чертежа печатной платы и документации к нему.
Оформление чертежей печатных плат производят в соответствии с ГОСТ 2.417 и требованиями других стандартов ЕСКД. Чертеж выполняют в масштабах 1:1; 2:1; 4:1; 5:1; 10:1. На чертеже изображают основные проекции с печатными проводниками и отверстиями, наносят координатную сетку тонкими линиями. Основной шаг координатной сетки 2,5 мм, допускаются шаги 1,25 и 0,625 мм. Пример оформления чертежа печатной платы приведен на рис. 1.3.2. За ноль в прямоугольной системе координат на главном виде ПП (у ОПП - вид со стороны проводящего рисунка) принимают левый нижний угол ПП или центр крайнего нижнего отверстия, находящегося на поле платы.
При необходимости границы участка ПП, на котором не должно быть печатных проводников, например на двусторонней ПП, на чертеже выделяют утолщенной штрихпунктирной линией. Группу одинаковых отверстий на чертеже обозначают одним из условных знаков, а количество отверстий и их размеры указывают в таблице, приводимой на поле чертежа ПП. Круглые отверстия, имеющие зенковку, и круглые контактные площадки с круглыми отверстиями (в том числе и с зенковкой) изображают одной окружностью. Их форму и размеры указывают на поле чертежа.
Проводники на чертеже изображают одной линией, являющейся осью симметрии проводника, при этом их ширину указывают в текстовой части чертежа. Проводники шириной более 2,5 мм могут изображаться двумя линиями. Проводники, имеющие заданную ширину, показывают на чертеже без упрощений. Отдельные элементы проводящего рисунка ПП можно выделять штриховкой, зачернением и т.п. На чертеже односторонней ПП показывают виды обеих ее сторон, при этом на стороне монтажа наносят позиционные обозначения ИЭТ в соответствии с принципиальной электрической схемой и знаки, уточняющие расположение навесных элементов, а над изображением помещают надпись "Сторона монтажа".
Чертеж двусторонней ПП, имеющей навесные элементы на одной стороне, дополняют видом проводящего рисунка со стороны монтажа.
Около видов платы на полках линий-выносок наносят краткие надписи или числа, относящиеся непосредственно к изображению.
Условное обозначение отверстияДиаметр отверстия, ммДиаметр зенковки с двух сторон, ммНаличие металлизации в отв.Диаметр контактной площадки, ммКоличество отверстий3,0-без метал.-30,8+0,11,1х70ометал.1,841+0,11,5х70ометал.2,5141,3+0,11,8х70ометал.3401. Плату изготовить комбинированным методом.
2. Шаг координатной сетки 2,5 мм.
3. Конфигурацию проводников выдерживать по координатной сетке.
4. Проводники, условно обозначенные сплошными линиями, выполнять шириной 0,9±0,3 мм.
5. Расстояние между проводниками не менее 0,3 мм.
6. Допускается в узких местах занижение контактных площадок до 0,15 мм.
7.* Размер для справок.
8. Проводники покрыть сплавом "Розе".
9. Маркировку выполнять травлением шрифтом 2,5 по НО.010.007, в узких местах шрифтом 2.
10. Плата должна соответствовать ГОСТ 23752-79.
Рис.1.3.2. Пример чертежа печатной платы
Задание для самостоятельной работы
1. В работе используются электрическая принципиальная схема и компоновочный эскиз ПП, разработанный в практическом занятии 1.2.
2. В соответствии с компоновочным эскизом ПП, выполненным в практическом занятии 1.2, обосновать выбор числа слоев ПП.
3. Согласно этапу 4 выбрать материал основания.
4. Согласно этапу 5 выбрать материал конструктивного покрытия.
5. По формулам и таблицам этапа 7 произвести расчет элементов конструкции ПП. 6. Разработать чертеж ПП, пользуясь ГОСТ 2.417.
Отчет о проделанной работе
Отчет должен содержать: расчет элементов конструкции ПП; чертеж ПП с техническими требованиями, видами и надписями.
Контрольные вопросы
1. Назовите характеристики односторонней, двусторонней и многослойной печатных плат.
2. Какие материалы для основания выбираются при конструировании ПП?
3. Какие классы точности рисунка ПП вам известны, дайте характеристики?
4. Какие методы изготовления ПП вам известны?
5. Назовите основные элементы конструкции ПП.
6. Назовите требования к чертежу ПП.
7. Назначение конструктивных металлических покрытий.
8. Особенности выполнения маркировки ПП.
1.4. Расчет вибрационных характеристик печатной платы
Характеристики вибрационных воздействий
В процессе эксплуатации ЭВС подвергаются механическим воздействиям: линейные ускорения, вибрации, удары.
Под вибрацией понимают механические колебания ее элементов или конструкции в целом. Вибрацию характеризуют виброперемещением, виброскоростью и виброускорением. Вибрация может быть периодической или случайной. Периодическая вибрация подразделяется на гармоническую и полигармоническую, а случайная - на стационарную, нестационарную, узкополосную и широкополосную. Гармоническая вибрация в реальных условиях встречается редко (обычно в лабораторных испытаниях конструкций), но широко применяется при теоретическом анализе вибраций. Виброперемещение при гармонической вибрации определяется как Z(t) = Z0sin ωt, (1.4.1)
где Z0 - амплитуда виброперемещения; ω - частота вибраций.
Выражения для виброскорости и виброускорения находят путем дифференцирования выражения (1.4.1):
(1.4.2)
(1.4.3)
Для случайной вибрации ее параметры (амплитуда виброперемещения, частота и др.) изменяются во времени случайно.
В результате механических воздействий в элементах конструкции ЭВС могут происходить обратимые и необратимые изменения. В зависимости от физики протекающих в конструкции процессов факторы, вызывающие обратимые изменения, можно классифицировать следующим образом:
- деформации в активных и пассивных элементах, приводящие к изменению их параметров (конденсаторы, катушки индуктивности, пьезоэлектрические кварцевые резонаторы, электровакуумные приборы и др.);
- нарушения электрических контактов в разъемах и неразъемных соединениях, вызывающие изменение омического сопротивления контактов;
- изменение параметров электрических, магнитных и электромагнитных полей, которое может привести к нарушению условий электромагнитной совместимости в конструкции.
Необратимые изменения свойственны конструктивным элементам ЭВС, связаны с нарушением условий прочности и проявляются в механических разрушениях элементов.
Конструкции ЭВС, работающие в условиях механических воздействий, должны отвечать требованиям прочности и устойчивости. Под вибропрочностью к воздействию механических факторов подразумевается способность конструкций выполнять функции и сохранять значения параметров в пределах норм, установленных стандартами, после воздействия механических факторов. Под виброустойчивостью к воздействиям механических факторов понимают способность конструкции выполнять заданные функции и сохранять свои параметры в пределах норм, установленных стандартами, во время воздействия механических факторов.
Конструкция ЭВС представляет собой сложную механическую систему, в которой могут возникать резонансные колебания, усиливающие механические нагрузки в десятки раз.
Наиболее эффективным способом борьбы с резонансными колебаниями является частотная отстройка. На практике чаще всего используют условие: 0 > 2, где ω0 - резонансная частота механической системы; ω - частота внешних механических воздействий. Влиять на спектр собственных частот колебаний можно изменением геометрических размеров плат, способов их крепления, материала, конфигурации и массы конструкции.
Модель печатной платы
Так как конструкция печатной платы представляет собой сложную механическую систему, состоящую из бесконечно большого числа материальных точек, то переходят к упрощенным абстрактным моделям на основе прямоугольной пластины, с определенным закреплением сторон.
Расчет частоты свободных колебаний прямоугольных пластин производится на основе следующих допущений:
- изгибные деформации пластин при вибрации, по сравнению с ее толщиной, малы, упругие деформации подчиняются закону Гука;
- пластина имеет постоянную толщину;
- в пластине имеется нейтральный слой, который при изгибных колебаниях пластины не подвержен деформациям растяжения-сжатия;
- материал пластины идеально упругий, однородный и изотропный; - все прямые, нормальные к поверхности нейтрального слоя до деформации, остаются прямыми и нормальными к ней после деформации.
Дифференциальное уравнение свободных незатухающих колебаний пластины имеет следующий вид:
, (1.4.4)
где z = z(x, y, t) - виброперемещение пластины, определяемое в точке с координатами x, y; m - масса пластины; - жесткость пластины на изгиб (цилиндрическая жесткость); Е, ε - соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона материала; h - толщина пластины.
Уравнение (1.4.4) имеет точное решение для свободных колебаний прямоугольных пластин, две противоположные стороны которых свободно опираются, при любом закреплении двух других сторон. Решение уравнения собственных колебаний имеет вид
(1.4.5)
Амплитудная функция Кф(х, у), называемая собственной формой колебаний пластины , определяется выражением
, (1.4.6)
где а, b - размеры сторон пластины; k, n - число полуволн синусоиды в направлении осей х и у соответственно.
В случае свободного опирания всех сторон частота свободных колебаний пластины может быть найдена по формуле
, (1.4.7)
где k, n =1,2,3,.. - число полуволн синусоиды, укладывающихся вдоль сторон пластины; a, b - размеры сторон; ρ - плотность материала пластины. Низшая частота собственных колебаний пластины 01 соответствует k = n = 1 и определяется следующим выражением:
. (1.4.8)
Приближенные методы расчета собственных
колебаний пластин
Реальные конструкции печатных плат не соответствуют требованиям однородной пластины, что приводит к многообразию краевых условий пластины. В таких случаях применяются приближенные решения уравнения (1.4.4) по методам Рэлея, Ритца и др.
Метод Рэлея позволяет учесть нагружение печатной платы функционального узла с установленными на ней элементами и получить выражение для расчета частоты свободных колебаний платы, справедливое при любых краевых условиях. Частота свободных колебаний основного тона печатной платы определяется по формуле
, (1.4.9)
где α1 - коэффициент, характеризующий зависимость частоты свободных колебаний пластины от краевых условий; а - большая сторона пластины; mэ, m0 - приведенные к площади пластины массы элементов и самой пластины. Коэффициент α1 находится из формул, приведенных в табл. 1.4.1, в зависимости от схемы закрепления и соотношения сторон пластины β = a/b. Выражение (1.4.9) обеспечивает достаточную точность лишь при расчете частоты основного тона. С ростом номера тона (обертона) точность результатов расчета существенно снижается.
Метод Ритца, являющийся развитием метода Рэлея, позволяет определять частоты свободных колебаний пластины на основном тоне и обертонах для различных краевых условий. Наибольшее применение находит формула
, (1.4.10)
Таблица 1.4.1
Формулы вычисления коэффициента α1 в зависимости
от варианта закрепления сторон пластины
№Вариант крепления пластины (рис.1.4.1)Формулы расчета α11а2б3в4г5д9,876е
где αij - коэффициент, зависящий от способа закрепления пластины, соотношения ее сторон и номера тона колебаний; - масса пластины, приведенная к площади; - коэффициент, учитывающий нагрузку пластины с размещенными на ней элементами; mэ - масса элементов, размещенных на пластине; mп - масса пластины.
а)б)в)г)д)е)
Рис. 1.4.1. Варианты крепления пластины: - сторона защемлена; - сторона лежит на опоре (в направляющей)
Для упрощения процедуры расчета частоты свободных колебаний пластины основного тона формула (1.4.10) преобразуется к виду:
(1.4.11)
где - частотная постоянная для пластины, изготовленной из стали; а - большая сторона пластины; - поправочный коэффициент на материал пластины; Е, Ес - модули упругости материала пластины и стали; ρ, ρс - плотности материала пластины и стали соответственно. В табл. 1.4.2 приведены значения частотной постоянной С для различных вариантов закрепления и соотношения сторон а/b стальной пластины.
Таблица 1.4.2
Частотная постоянная С стальной пластины
Схема закрепления пластины (рис.1.4.1)Значение С при соотношении сторон a/b, равном11,52,02,53,04,0а86145234352497868б5684124176240864в76139230349494866г6993131181244406д3870112165230394е4776117170234375 В случае точечного крепления печатных плат (рис.1.4.2) собственная частота колебаний определяется по формуле
, (1.4.12)
где А = 1/а2 при числе точек крепления n = 4; А = 4/(а2 + b2) при n = 5; А = 0,25/а2 при n = 6.
а)б)в)Рис.1.4.2. Точечное крепление плат
Для прямоугольной пластины, свободно опертой по контуру и имеющей параллельные сторонам ребра жесткости с одинаковыми прямоугольными поперечными сечениями, первая собственная частота колебаний определяется из выражения
, (1.4.13)
где a, b - длина и ширина пластины; r, k - число ребер, параллельных осям Х и У; mn, mx, my - массы пластин и ребер, параллельных осям Х и У соответственно; ξ = b/a; D - цилиндрическая жесткость пластины; - жесткость ребра; Е1 - модуль упругости материала ребра; b1 , h1 - ширина и высота ребра. Задание для самостоятельной работы
1. Для заданных размеров ПП (табл. 1.4.3), изготовленной из стеклотекстолита, исследовать влияние соотношения сторон а/b на низшую частоту собственных колебаний пластины 01 в следующих случаях: свободного опирания по формуле (1.4.8); метода Рэлея по формуле (1.4.9); метода Ритца по формуле (1.4.11). Способ закрепления задается преподавателем. Результаты представить в виде графика. Таблица 1.4.3
Исходные данные для расчетов
Размер стороны ПП а, смДиапазон изменения соотношения сторон ПП а/bТолщина ПП h, смМодуль упругости
Е·10-10, Н/м2Коэффициент Пуассона εПлотность материала ρ·10-3, кг/м3а = 5 + N, где N - номер варианта[0,5 ÷ 3] с шагом 0,50,23,20,2792,47 2. Исследовать влияние способа закрепления ПП на низшую частоту собственных колебаний пластины 01 для метода Рэлея. Соотношение сторон ПП задается преподавателем. Результаты представить в виде таблицы.
Частота собственных колебаний пластины 01 в зависимости от способа закрепления ПП (рис.1.4.1)а)б)в)г)д)е) 3. Для заданных размеров ПП (табл. 1.4.3), изготовленной из стеклотекстолита, исследовать влияние соотношения сторон а/b на низшую частоту собственных колебаний пластины 01 в случае точечного закрепления ПП (рис.1.4.2) в соответствии с выражением (1.4.12). Способ закрепления задается преподавателем. Результаты представить в виде графика.
4. Исследовать влияние способа точечного закрепления ПП на низшую частоту собственных колебаний пластины 01. Соотношение сторон ПП задается преподавателем. Результаты представить в виде таблицы.
Частота собственных колебаний пластины 01 в зависимости от способа закрепления ПП (рис.1.4.2)а)б)в) 5. Для заданных размеров ПП (табл. 1.4.3), изготовленной из стеклотекстолита, исследовать влияние ребер жесткости на низшую частоту собственных колебаний пластины 01 в соответствии с выражением (1.4.13). Исходные данные для ребер жесткости приведены в табл. 1.4.4. Количество ребер жесткости задается преподавателем. Таблица 1.4.4
Ширина ребра жесткости b1, ммВысота ребра жесткости h1, ммМатериалМодуль упругости
Е·10-10 Н/м2Коэффициент Пуассона εПлотность материала ρ·10-3кг/м331Алюминий7,30,32,721Сталь220,37,8
Контрольные вопросы
1. Что понимается под гармонической и полигармонической вибрацией?
2. Дайте характеристику случайной вибрации.
3. Дайте характеристику модели печатной платы.
4. Особенности амплитудно-частотной характеристики механической колебательной системы.
5. Особенности расчетов собственных частот ПП методами Рэлея и Ритца.
6. Методы борьбы с механическими воздействиями в конструкциях ЭВС.
7. Характеристики изменений в элементах конструкции ЭВС, вызванные механическими воздействиями.
8. Дайте определение вибропрочности и виброустойчивости конструкции ЭВС.
1.5. Конструирование виброизоляции блоков ЭВС
Выбор схемы расположения амортизаторов
Эффективный способ повышения надежности ЭВС, функционирующих в условиях интенсивных механических воздействий, - виброизоляция. Энергия механических колебаний поглощается или отражается специальными приспособлениями - амортизаторами. В свою очередь, энергия в амортизаторах поглощается за счет трения, отражения части механической энергии происходит в случае, если частота собственных колебаний амортизированной механической системы меньше нижней границы диапазона воздействующих колебаний (амортизатор работает как механический фильтр нижних частот).
При проектировании конструкции блоков ЭВС возникает необходимость выполнения сложных динамических расчетов для определения прочности конструкции, вычисления резонансных частот и нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации ЭВС. Подобные задачи приводят к дифференциальным уравнениям в частных производных теории колебаний и прикладной теории упругости.
Для составления расчетных уравнений необходимо выбрать динамическую модель ЭВС в виде некоторой совокупности инерционных, упругих и демпфирующих элементов. Конструкция ЭВС является сложной упругой механической системой. Во многих случаях расчет колебаний упругих систем как систем с бесконечным числом степеней свободы становится возможным при введении в расчет значительных упрощений. Целесообразным является замена сложной системы другой, более простой, с другим распределением масс и жесткостей, а именно: эквивалентной системой с одной или с конечным числом степеней свободы. Такие системы являются системами с сосредоточенными параметрами и могут быть исследованы на основании уравнений Лагранжа.
При конструировании системы виброизоляции блок ЭВС считают твердым телом, имеющим шесть степеней свободы и столько же связанных резонансных частот. В общем случае необходимо рассматривать шесть раздельных эквивалентных систем для каждой степени свободы. В целях упрощения расчетов будем рассматривать линейную систему амортизации однонаправленного нагружения, в которой действие возмущающих сил и перемещение блока возможно только вдоль оси амортизатора.
Конструирование системы амортизации (СА) ЭВС начинают с выбора типа амортизаторов и схемы их размещения. Выбор амортизаторов производят исходя из допустимой нагрузки и предельных значений параметров, характеризующих условия эксплуатации. Выбор схемы расположения амортизаторов зависит главным образом от расположения аппаратуры на подвижном носителе и условий динамического воздействия.
На рис. 1.5.1 представлены основные схемы расположения блоков на амортизаторах. Наиболее рациональным является такое расположение амортизаторов, при котором центр жесткости (ЦЖ) системы виброизоляции совпадает с центром масс (ЦМ) ЭВА или ЦМ и ЦЖ лежат на одной вертикали. Под центром жесткости понимают точку приложения равнодействующих всех сил реакции амортизаторов.
д)Рис.1.5.1. Варианты расположения амортизаторов
Вариант а довольно часто используется для амортизации сравнительно небольших по габаритам блоков. Такое расположение амортизаторов удобно с позиций общей компоновки блоков на объекте. Блоки можно расположить в непосредственной близости друг от друга.
Однако при этом расположении амортизаторов принципиально невозможно получить совпадение ЦЖ и ЦМ блока ЭВС и, следовательно, никогда не получить рациональной системы, т.е. всегда будут наблюдаться связанные частоты колебаний.
Перемещение точек расположения амортизаторов на боковую поверхность блока (вариант б) позволяет совместить ЦЖ и ЦМ и избежать связанных колебаний. Такой же результат достигается при зеркально-симметричном расположении амортизаторов на днище и крышке корпуса блока (вариант в). Для конструктивной реализации таких систем требуются дополнительные узлы крепления в виде кронштейнов и стоек. Проще реализуется система с наклонным расположением амортизаторов (вариант г), позволяющая совместить ЦЖ и ЦМ. Её применяют в транспортной, судовой и бортовой аппаратуре. Комбинированные системы позволяют снизить колебания вокруг горизонтальных осей за счет установки дополнительных амортизаторов на боковой поверхности блоков (вариант д). Такая система применяется для блоков аппаратуры, имеющей значительную высоту.
Статический расчет системы амортизации
После выбора схемы амортизации производят статический расчет, в результате которого определяют статические реакции виброизоляторов, по которым выбирают типоразмер и находят величину компенсации для выравнивания системы. Конструирование рациональной системы амортизации возможно при непременном условии совпадения центра масс блока с центром жесткости амортизаторов. Под центром жесткости (ЦЖ) системы амортизации понимают некоторую точку, в которой условно сосредоточена суммарная жесткость системы амортизации. Координаты ЦЖ можно вычислить по следующим формулам:
; ; , (1.5.1)
где Хi, Yi, Zi - координаты амортизаторов; , - суммарная статическая жесткость амортизаторов в направлении соответствующей оси координат; , , - статические моменты жесткости амортизаторов относительно координатных плоскостей.
Координаты центра масс можно найти следующим образом:
; ; , (1.5.2)
где Xi, Yi, Zi - координаты функционального узла, радиоэлемента; Gi - вес i-го узла, радиоэлемента; п - число радиоэлементов, узлов.
Принимая во внимание, что для одного типоразмера амортизаторов статические жесткости одинаковы и аппаратура на амортизаторах расположена горизонтально (без перекосов), получаем, что и статические прогибы амортизаторов будут одинаковы. Тогда условия рационального монтажа системы амортизации можно представить в виде:
(1.5.3)
где Pi - весовая нагрузка, приходящаяся на i-й амортизатор; Xi , Yi, Zi - координаты i-го амортизатора. Первое условие обозначает, что общая грузоподъемность всех амортизаторов соответствует весу амортизируемой аппаратуры. Последующие условия означают, что центр параллельных упругих сил (центр жесткости) амортизаторов совпадает с центром масс блока ЭВС.
Схема расположения амортизаторов принимается исходя из конструктивных особенностей блока и условий размещения его на подвижном носителе.
В качестве примера рассмотрим систему из четных амортизаторов, расположенных в горизонтальной плоскости ХОУ. Вертикальная координата Z = 0. При расчете за начало системы координат принимается центр масс блока. Оси системы координат направлены по главным осям инерции блока. При таких условиях система уравнений (1.5.3) приводится к следующему виду:
(1.5.4)
Задаваясь координатами точек крепления амортизаторов (рис.1.5.2), из уравнения (1.5.3) получим систему четырех линейных уравнений относительно неизвестных нагрузок на амортизаторы:
(1.5.5)
Рис.1.5.2 Схема расположения четырех амортизаторов в горизонтальной плоскости ХОУ
Решая систему (1.5.5) относительно нагрузок на амортизаторы, находим статические нагрузки на амортизаторы:
(1.5.6)
где D1, D2, D3, D4 - миноры определителя D, причем D = D1 + D2 + + D3 + D4  0.
Раскрывая определители D1 - D4, получаем:
(1.5.7)
Определив миноры по формулам (1.5.7), найдем определитель D, а затем по формулам (1.5.6) - статическую нагрузку на каждый амортизатор. По условиям эксплуатации и по нагрузке выбирают номиналы амортизаторов, учитывая, что
0,7Pном  Рi  1,3Pном, (1.5.8)
где Рном - номинальная нагрузка на амортизатор.
Далее рассчитывается осадка каждого амортизатора, соответствующая статической нагрузке:
(1.5.9)
Чтобы обеспечить выполнение условия установки блока относительно горизонтальной плоскости без перекосов, необходимо определить толщину выравнивающих прокладок под амортизаторы. Толщина выравнивающих прокладок определяется выражением
(1.5.10)
где Δhi -разность габаритных высот амортизаторов в ненагруженном состоянии.
Расчет системы амортизации при кинематическом возбуждении
При оценке качества виброизоляции блока при кинематическом возбуждении основания основными параметрами СA являются собственные и вынужденные частоты колебания, жёсткость амортизаторов и их коэффициент демпфирования, коэффициент передачи и эффективность виброизоляции.
Блок ЭВС с амортизаторами, установленный на основание или навешенный на стену (рис.1.5.3), представляет собой колебательную систему с определенной жесткостью К и коэффициентом вязкого трения β. Тогда уравнение движения блока ЭВС в направлении оси может быть представлено в виде
(1.5.11)
где m - масса блока; Zo - смещение основания по гармоническому закону:
(1.5.12)
здесь So - амплитуда виброперемещения основания; f = ω/2π - внешняя частота вибраций.
Выбираем решение уравнения (1.5.11) в виде
, (1.5.13)
где Sб - амплитуда перемещения блока ЭВС; α - сдвиг фаз между силой и перемещением. Подставляя частное решение (1.5.13) и выражение для смещения Zo (1.5.12) в дифференциальное уравнение (1.5.11), получаем
откуда находим передаточную функцию системы амортизации:
(1.5.14)
Амплитуда колебания блока Sб равна следующему выражению:
(1.5.15)
где - коэффициент частотной расстройки; - коэффициент затухания; - собственная частота колебаний блока; - суммарный статический коэффициент жесткости; т - масса блока ЭВС.
Отношение амплитуды блока ЭВС к амплитуде основания называется коэффициентом передачи при виброизоляции η, и эта величина находится как
(1.5.16)
Зависимость η от величины расстройки  приведена на рис. 1.5.4. При малом демпфировании амплитуда колебаний блока в момент резонанса равна:
Sб рез  So/2.
Графики зависимости  от коэффициента  при различных m имеет аналогичный вид. Анализ графиков показывает, что если  превышает, то коэффициент передачи будет меньше единицы, амплитуда колебаний блока будет меньше амплитуды колебания основания. На условии  >основан способ виброзащиты, получивший название виброизоляции.
В соответствии с формулой при заданных массе блока т и частоте возбуждающих колебаний  необходимо выбрать такую жесткость амортизаторов , чтобы обеспечить условие . Из рассмотрения частотных характеристик также следует, что виброизолирующие свойства проявляются лишь в области  > и что демпфирование существенно снижает перегрузку только тогда, когда система находится в условиях резонанса. На рис.1.5.4 пунктиром показана кривая КПД виброизоляции, называемая эффективностью виброизоляции Э:
. (1.5.17)
Рис.1.5.3. Схема амортизации блока ЭВС с одной степенью свободы при кинематическом возбуждении
Практически для амортизационной ЭВС условия виброизоляции обеспечиваются, если коэффициент расстройки находится в пределах 2 - 5. Нижний предел приближает систему к резонансу, верхний предел увеличивать бесполезно, так как при этом эффективность виброизоляции остается постоянной. Вдали от резонанса для определения коэффициента передачи можно воспользоваться упрощенным выражением:
(1.5.18)
Максимальное ускорение, с которым движется блок, будет определяться формулой
(1.5.19)
Систему амортизации можно считать удовлетворительной, если в результате расчетов установлено, что максимальные ускорения на объекте амортизации не превышают допустимых для него значений.
Рис.1.5.4. Зависимость коэффициента передачи  от коэффициента частотной расстройки 
В настоящее время для виброзащиты существует большое количество различных типов амортизаторов, отличающихся как по виду упругого элемента, так и по конструктивному оформлению. Предъявляемые к амортизаторам требования разделяются на три группы: динамические, климатические и конструктивные. Амортизаторы подразделяются на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные. У низкочастотных амортизаторов частота собственных колебаний в нагруженном состояния не превышает 4 Гц, для среднечастотных находится в пределах 8 - 12 Гц, а у высокочастотных - в пределах 20 - 30 Гц. Низкочастотные амортизаторы виброизолируют частоты возмущающих колебаний, лежащие в диапазоне 5-600, среднечастотные - в диапазоне 15-600, высокочастотные - в диапазоне 32-2000 Гц.
Характеристики приборных амортизаторов типа АД
Амортизаторы равночастотные демпфированные типа АД (рис. 1.5.5) предназначены для нагрузок от 3 до 150 Н. Упругим элементом является спиральная пружина, сконструированная так, что при увеличении массы объекта входящие друг в друга витки пружины осаживаются на опорную пластину и выключаются из работы. Это приводит к увеличению жесткости амортизатора, которую рассчитывают так, чтобы частота собственных колебаний менялась незначительно. Такие амортизаторы называют равночастотными. Применение их позволяет осуществлять амортизацию объектов различной массы при небольшом количестве типоразмеров амортизаторов. Пружина амортизатора заключена в резиновый баллон, имеющий калиброванное отверстие. При деформации пружины воздух должен выходить через отверстие, за счет чего создается дополнительное затухание. Рис. 1.5.5. Амортизатор типа АД: 1 - корпус блока; 2 - ограничительная шайба; 3 - калиброванное отверстие; 4 - резиновый фланец, ограничивающий ход амортизатора; 5 - пружина амортизатора; 6 - резиновый баллон; 7 - корпус амортизатора; 8 - опорная пластина
Собственная частота нагруженных амортизаторов составляет 6 - 8 Гц. Виброзащита при нормальных условиях начинается с частоты возбуждения 12 Гц при амплитуде вибрации до 0,5 - 1,5 мм в зависимости от номера серии амортизатора. Интервал рабочих температур - 60...70°С. Амортизаторы типа АД обладают достаточной вибропрочностью и предназначены для вертикальных нагрузок. Таблица 1.5.1 Технические характеристики амортизаторов АД
ОбозначениеНоминальная нагрузка, НЖесткость, Н/ммВысота амортизатора, ммРазмер основанияАД-0,63 - 61,22635х35АД - 1,026 - 1022635х35АД - 1,510 - 1524048х48АД - 3,015 - 3044048х48АД - 5,030 - 5174048х48АД - 7,051 - 7194048х48АД - 1071 - 102124265х65АД - 15102 - 153194265х65
Задание для самостоятельной работы
1. Произвести расчет системы виброизоляции блока ЭВС. Схема расположения амортизаторов соответствует рис. 1.5.2. Исходные данные для расчета приведены в табл.1.5.3.
2. Найти статическую нагрузку на каждый амортизатор по формулам (1.5.6) и (1.5.7).
3. По статической нагрузке с учетом (1.5.8) выбрать тип амортизатора из табл. 1.5.1.
4. По формулам (1.5.9), (1.5.10) найти статические прогибы амортизаторов и толщину компенсирующих прокладок.
5. Определить частоту собственных колебаний системы амортизации, где - суммарная жесткость системы амортизации; m - масса блока.
6. Найти частотную расстройку , где νн - нижнее значение частоты диапазона частот внешних вибрационных воздействий.
7. Проверить условие νн > 2 , определить коэффициент передачи вибраций по формуле (1.5.16) для δ = 0,2 и эффективность виброизоляции по формуле (1.5.17).
8. Найти амплитуду возбуждающего колебания и амплитуду перемещения блока .
9. Найти максимальное виброускорение блока .
10. Результаты расчетов представить в виде таблицы:
Таблица 1.5.2
Характеристики системы виброизоляции блока
Частота н, ГцАмплитуда возбуждающего колебания S0, мВиброперемещение блока Sб, мВиброускорение блока ав, м/с2Коэффициент динамичности Эффективность виброизоляции Э, % 11. Построить графики зависимостей коэффициента передачи вибраций и эффективности виброизоляции от частотной расстройки ν в диапазоне [0, 4] для двух значений коэффициента затухания δ = 0,2 и 0,1.
12. Сделать выводы по результатам расчета системы амортизации.
Таблица 1.5.3
Исходные данные для расчета системы амортизации
№ варМасса блока, кгДиапазон частот, ГцВиброускорение ав, м/с2Координаты установки амортизаторов, ммХ1У1Х2У2Х3У3Х4У4142 - 6010196146176-136-186-126-156116253 - 7015205155185-145-195-135-175125364 - 8020194144174-134-184-124-154114475 - 9025203153183-143-193-133-173123586 - 10030192142172-132-182-122-152112697 - 11035201151181-141-191-131-1711217108 - 12040190140170-130-180-120-1501108119 - 13045199149179-139-189-129-16911991210 - 14050188138168-128-178-118-148108101311 - 15055197147177-137-187-127-167117111412 - 16060186136166-126-176-116-146106121513 - 17065195145175-135-185-125-165115131514 - 18070184134164-124-174-114-144104141715 - 19075193143173-133-183-123-163113151816 - 20080182132162-122-172-112-142102
Контрольные вопросы
1. Какие существуют наиболее распространенные схемы размещения подвижной ЭВС на виброизоляторах?
2. Как определяются координаты центра жёсткости амортизаторов?
3. От чего зависит осадка каждого амортизатора и как выбирается толщина компенсирующих прокладок, тип амортизатора из статической нагрузки?
4. Сколько собственных частот имеет блок ЭВС, установленный на амортизаторах? Запишите их для варианта размещения, когда координаты центра масс и центра жесткости амортизационной системы совпадают.
5. Как определяется суммарная жесткость амортизаторов системы?
6. На какие группы можно разделить амортизаторы в зависимости от типа упругого элемента и способа демпфирования? 7. Что такое коэффициент передачи при виброизоляции и как он зависит от частотной расстроит?
8. Что такое эффективность виброизоляции, от чего она зависит?
9. Что включает динамический расчет системы амортизации?
10. Из какого условия определяется выбор амортизаторов и нижняя граница возмущающих частот при виброизоляции?
11. Изобразите обобщенную модель виброзащитных средств и охарактеризуйте каждый элемент этой модели.
1.6. Конструирование удароизоляции блоков ЭВС
Параметры ударных воздействий
Аппаратура может подвергаться ударным воздействиям, возникающим при эксплуатации, транспортировке, монтаже и т.д. При ударе элементы конструкции испытывают нагрузки в течение малого промежутка времени τ, ускорения достигают больших значений и могут привести к повреждениям электрорадиоэлементов, нарушению электрических контактов в разъемах и неразъемных соединениях и т.д. Интенсивность ударного воздействия зависит от формы, амплитуды и длительности ударного импульса. Форма ударного импульса определяется зависимостью ударного ускорения а(t) от времени (рис.1.6.1). При анализе ударных воздействий реальную форму ударного импульса заменяют более простой, например, прямоугольной, треугольной, синусоидальной.
Рис.1.6.1. Ударный импульс: а - форма ударного импульса;
б - эквивалентные формы
Наиболее "жестким" по воздействию на систему является удар в виде прямоугольного импульса. Ударные импульсы с пологими фронтами (синусоидальный, треугольный, трапецеидальный) оказываются более "мягкими". Поэтому прямоугольный и синусоидальный принято рассматривать как крайние случаи ударных воздействий, для которых производят расчет удароизоляции конструкции.
Модель системы удароизоляции
Модель системы удароизоляции конструкции приведена на рис.1.6.2, где блок ЭВС, подлежащий удароизоляции, представлен массой m, амортизаторы - жесткостью К. Ударный импульс воздействует на платформу, вызывая перемещение системы. В период времени, соответствующий длительности импульса τ, движение массы m носит вынужденный характер. После прекращения действия импульса (t > τ) движение массы будет определяться законом свободных колебаний. При этом начальными условиями движения будут смещение и скорость в момент t = τ.
Рис.1.6.2. Модель системы удароизоляции
Расчет системы амортизации на воздействие синусоидального ударного импульса
В случае отсутствия в системе неупругих сил уравнение перемещения массы на отрезке времени 0 < t < τ имеет следующий вид
, (1.6.1)
где z1 = z - za - смещение массы m относительно основания; z, za - соответственно смещение блока ЭВС (массы) и основания; - частота свободных колебаний системы; k - суммарная жесткость амортизаторов; - условная частота возбуждения; f(t) - функция, определяющая форму ударного импульса (рис.1.6.1); амах - максимальное ударное ускорение.
Для начальных условий: и , решение (1.6.1) дает следующее выражение относительного перемещения блока:
(1.6.2)
Тогда относительные скорость и ускорение блока при ударе запишется как
(1.6.3)
(1.6.4)
Абсолютное ускорение блока во время действия удара
(1.6.5)
Уравнение движения блока после окончания удара (t ≥ τ) имеет вид
(1.6.6)
Решение уравнения (1.6.6) дает выражение относительного перемещения блока:
(1.6.7)
где v01 и z01 - относительные скорость и перемещение массы в конце ударного импульса (t = τ); v01 и z01 находят из выражений (1.6.3) и (1.6.2) при подстановке в них t = τ:
(1.6.8)
(1.6.9)
После замены в (1.6.7) v01 и z01 выражениями (1.6.8) и (1.6.9) решение имеет вид
(1.6.10)
Значение z1, определенное из (1.6.10), представляет собой абсолютное перемещение блока, так как на интервале времени t ≥ τ основание неподвижно, т.е. za = 0, z1 = z.
Продифференцировав (1.6.10), найдем ускорение блока
(1.6.11)
Из анализа (1.6.10) и (1.6.11) следует, что движение удароизолируемого блока отстает от движения основания на угол φ = ω0τ/2. Максимальные значения перемещения zmaxи ускорения принимают в момент времени
. (1.6.12)
Их значения можно определить из следующих выражений:
(1.6.13)
(1.6.14)
где частотная расстройка; Т - период свободных колебаний блока.
Из (1.6.14) можно получить выражение коэффициента передачи при ударе (коэффициент удароизоляции)
(1.6.15)
При воздействии прямоугольного ударного импульса перемещение и ускорение удароизолируемого блока и коэффициент передачи при ударе можно найти из следующих выражений:
(1.6.16)
(1.6.17)
. (1.6.18)
Особенности выбора амортизаторов при удароизоляции аппаратуры
Характеристики амортизаторов и их конструкция должны обеспечивать эффективную защиту аппаратуры от динамических воздействий. Требования, предъявляемые к амортизаторам, предназначенным для защиты от ударов, часто не согласуются с требованиями к виброизолирующим амортизаторам. Окончательный выбор типа амортизатора может быть сделан только после тщательного анализа эффективности работы его в условиях вибрационных и ударных нагрузках.
Необходимо проверить осадку амортизаторов при воздействии ударных импульсов, так как большинство амортизаторов имеет ограничители хода (подушки, тарели и т.п.). Если под действием ударного импульса происходит полная осадка подвижной части амортизатора (до соприкосновения с ограничителем хода), то нагрузка на аппаратуру резко возрастает. Это объясняется тем, что ограничители хода имеют значительно большую жесткость, чем упругий элемент амортизатора. В таких случаях целесообразно перейти на другой тип амортизатора. При этом может оказаться, что возрастет ускорение при воздействии вибрационных нагрузок, однако это менее опасно, чем динамические удары при соприкосновении с ограничителями хода. Иногда удается уменьшить нагрузки, возникающие от ударных импульсов, за счет "механической настройки" системы, т.е. изменения собственной резонансной частоты. Это достигается путем изменения массы аппаратуры или переходом на амортизаторы другой жесткости.
В большинстве случаев аппаратура испытывает и вибрационные и ударные нагрузки, поэтому задача выбора амортизаторов должна решаться с учетом этих двух факторов. В некоторых случаях применяют в одной конструкции два амортизатора: мягкого - для защиты от вибрации, жесткого - для защиты от ударов. Более жесткий (противоударный) амортизатор не должен включаться в работу, когда на аппаратуру действуют вибрационные перегрузки; при воздействии больших ударных перегрузок, после того как мягкий амортизатор сдеформировался на величину своего рабочего хода, возникающие усилия должен воспринимать противоударный амортизатор.
Задание для самостоятельной работы
1. Оценить удароизоляцию блока ЭВС, установленного на четырех амортизаторах, при действии на основание синусоидального и прямоугольного ударных импульсов.
2. Исходные данные для расчета приведены в табл. 1.6.1 и табл. 1.6.2
Таблица 1.6.1
Исходные данные для расчетов
№ вар.Масса блока, кгТип амортизатораПараметры ударного импульсасинусоидальныйпрямоугольныйас, м/с2τс, мсау, м/с2τу, мс12,4АПН-12028183024,2АПН-235382018312,2АПН-324222226421,4АПН-440301810528,4АПН-542382416642,6АПН-64632281871,8АПН-16026562286,4АПН-242243818911,6АПН-3402632241020,2АПН-4483242301128,4АПН-5523048261246,8АПН-6442238181326,2АПН-4343824141410,8АПН-336243022154,2АПН-252362620 Таблица 1.6.2
Параметры амортизаторов
Тип амортизатораНоминальная нагрузка, НЖесткость, Н/ммДопустимая величина прогиба, ммАмортизаторы пространственного нагруженияАПН-14,9 - 9,86,97АПН-29,8 - 24,513,78АПН-319,6 - 4922,68АПН-439,2 - 68,732,312АПН-558,9 - 98,149,112АПН-688,3 - 147,258,912
3. Определить статическую осадку блока zст = Р/k, где k - суммарная жесткость амортизаторов; Р - вес блока, Н.
4. Найти условную частоту возбуждения , частоту свободных колебаний системы и частотную расстройку , где τ - длительность ударного импульса, с; m - масса блока, кг.
5. По формулам (1.6.15) и (1.6.18) найти коэффициент передачи при синусоидальном и прямоугольном ударном воздействии соответственно.
6. Определить максимальное ускорение блока для синусоидального и прямоугольного ударных воздействий. 7. Найти максимальное смещение блока для синусоидального и прямоугольного ударных воздействий.
8. Найти суммарное смещение блока z = zст + zмах и сравнить с допустимой величиной прогиба амортизатора.
9. Построить временные зависимости ускорений по формуле (1.6.11) при воздействии синусоидального ударного импульса для основания и блока на одном графике. Определить сдвиг фаз между ускорениями основания и блока.
10. Построить временные зависимости ускорений по формуле (1.6.17) при воздействии прямоугольного ударного импульса для основания и блока на одном графике. Определить сдвиг фаз между ускорениями основания и блока.
11. Построить зависимость коэффициента передачи по формуле (1.6.15) при синусоидальном ударном импульсе от частотной расстройки в диапазоне (0; 4) с шагом 0,1. Определить, при какой частотной расстройке наблюдается максимальное значение коэффициента передачи.
12. Построить зависимость коэффициента передачи по формуле (1.6.18) при прямоугольном ударном импульсе от частотной расстройки в диапазоне (0; 4) с шагом 0,1. Определить, при какой частотной расстройке наблюдается максимальное значение коэффициента передачи.
Контрольные вопросы
1. Формы импульсов ударного воздействия.
2. Особенности модели системы удароизоляции блока.
3. Напишите выражение для коэффициента передачи при ударе синусоидального и прямоугольного импульсов.
4. Требования, предъявляемые к амортизаторам, предназначенным для защиты блоков от ударных воздействий.
1.7. Расчет теплофизических характеристик тепловых режимов ЭВС
Основные понятия и определения
Проблема отвода тепла в ЭВС является одной из важнейших проблем конструирования и разработки радиоэлектронных приборов. С появление интегральных схем (ИС) с очень высокой плотностью размещения активных элементов на кристалле и с появлением плат, содержащих сотни ИС, вопросы обеспечения нормального теплового режима встали перед разработчиками электронной аппаратуры так остро, как никогда прежде. Разработчика ЭВС интересует не тепловой режим вообще, а нормальный (или заданный) тепловой режим. Тепловой режим отдельного элемента считается нормальным, если соблюдаются два условия: температура элемента (или окружающий элемент среды) находится в пределах, определенных паспортом или техническими условиями на него, независимо от изменения окружающей аппаратуру среды; температура элемента должна быть такова, чтобы обеспечивалась его работа с заданной надежностью. Первое условие является обязательным для каждого элемента. Второе - специально оговаривается в техническом задании на разработку аппаратуры.
Под тепловым режимом ЭВС понимают пространственно-временное распределение температуры в зависимости от мощности источников и стоков энергии, геометрических и физических параметров конструкции, внешней среды, куда отводится тепло. Исходя из этого определения устройства ЭВС представляют собой преобразователи электрической энергии в тепловую. В зависимости от КПД значительная часть тепловой энергии рассеивается в окружающее пространство и идет на нагрев конструктивных деталей, узлов и функциональных элементов. Известно, что в процессе нагрева деталей и элементов их надежность падает за счет снижения изоляционных свойств материалов, изменения плотности и подвижности носителей тока в полупроводниковых элементах, снижения индуктивности насыщения в сердечниках, увеличения интенсивности старения материалов и других факторов, ведущих к отказу деталей и элементов.
Следовательно, обеспечение нормального режима ЭВС - одно из необходимых условий их надежной работы.
Тепловой режим ЭВС считается нормальным, если соблюдаются два условия:
- температуры всех деталей и узлов конструкции при заданных условиях эксплуатации не превышают предельно допустимых температур, указанных в технических условиях или паспортах на детали и узлы;
- температуры всех деталей и узлов конструкции таковы, что обеспечивается работа ЭВС с заданной точностью и надежностью.
Общий баланс энергии в устройстве можно выразить уравнением вида
Еп = Е1 + Е2 + Е3,
где Еп - электрическая энергия, подводимая от источника питания; Е1 - выходная электрическая энергия; Е2 - тепловая энергия, рассеиваемая в окружающее пространство; Е3 - тепловая энергия, расходуемая на нагревание деталей, узлов и элементов.
Основной характеристикой преобразователя энергии является КПД, который можно найти по следующей формуле:
Повышение КПД возможно только за счет уменьшения значений Е2 и Е3, являющихся функцией качества преобразования энергии устройством.
Как правило, ЭВС обладают невысоким КПД, количественно оцениваемым от долей процента до 50-60% в отдельных устройствах.
Уменьшение показателя Е3 возможно за счет снижения рассеиваемой мощности элементов, расширения воздушных каналов в местах их компоновки, улучшения теплоотвода и организации твердых теплостоков на холодные поверхности и т.д.
Улучшение показателя Е2 возможно за счет выбора системы охлаждения (перфорации, принудительной вентиляции), расширения площади теплообменных поверхностей, установки наружных ребер-радиаторов и т.д.
Характерной особенностью теплообменных процессов в ЭВС является их зависимость от временного фактора. Постоянный подогрев конструкций и элементов идет быстрее, чем теплоотдача в окружающее пространство. Установившийся режим обычно наступает при равенстве подогрева и теплоотдачи, но уже после критических предельно допустимых температур для элементов.
Известно, что элементы ЭВС имеют неоднородные по плотности конструкции, что вызывает их различный по интенсивности и времени перегрев. Перегревом принято называть разность между температурой некоторой точки конструкции ЭВС и температурой окружающей среды. С течением времени температура их выравнивается благодаря наличию теплового потока от мест с более высокой температурой к местам с более низкой температурой. Этот процесс протекает во всех веществах: твердых, жидких и газообразных.
Отвод тепла от любого тела, а следовательно, и от элементов ЭВС может происходить за счет теплопроводности, конвекции и излучения.
Передача тепла теплопроводностью
Теплопроводностью (кондукцией) называют процесс передачи тепла (тепловой энергии) при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих различные температуры. Суть процесса состоит в том, что мельчайшие частицы тела (атомы, молекулы, электроны) с более высокой температурой имеют большую кинетическую энергию и при соприкосновении с частицами с меньшей температурой отдают свою энергию, а последние ее воспринимают. При этом никакого переноса массы вещества не происходит. В чистом виде теплопроводность может наблюдаться только в твердых телах.
Процесс распространения теплового потока J при теплопроводности описывается законом Фурье:
, (1.7.1)
где λТ - коэффициент теплопроводности материала; gradT - температурный градиент вдоль потока.
В случае, когда температурное поле изменяется в одном направлении и теплофизические характеристики вещества постоянны во всех точках, уравнение (1.7.1) для тела (рис.1.7.1), имеющего постоянное поперечное сечение, можно записать в следующем виде:
(1.7.2)
где РТ - мощность, передаваемая телом, Вт; S - площадь поперечного сечения тела, м2; Т1, Т2 - постоянные во времени температуры нагреваемого и охлаждаемого поперечных сечений тела, К; l - длина теплового пути, м.
Рис.1.7.1. Передача тепловой энергии в изотропном твердом теле
Значение коэффициентов теплопроводности наиболее распространенных конструкционных материалов приведены в табл.1.7.1.
Таблица 1.7.1
Коэффициенты теплопроводности наиболее часто применяемых материалов
№Наименование материалаλТ, Вт/(м·К)1. Алюминиевые сплавы160 - 1802. Воздух0,0253. Гетинакс0,15 - 1,184. Керамика 22ХС18 - 205. Клеи и компаунды0,15 - 0,36. Ковар Н29К18217. Кремний120 - 1308. Латунь100 - 2009. Медь380 - 39010. Олово6411. Поликор25 - 3812. Ситалл1,1 - 1,613. Слюда0,43 - 0,614. Сталь конструкционная45 - 5015. Стекло кварцевое1,4 - 1,516. Стеклотекстолит0,17 - 1,18 Отношение l/( λТS) называют термическим или тепловым сопротивлением и обозначают
RТ = l/( λТS). (1.7.3)
Теперь формула (1.7.2) может быть записана так:
РТ = ΔТ/ RТ. (1.7.4)
Эта формула по своей структуре аналогична формуле закона Ома для электрической цепи. Используя эту аналогию, можно для расчета теплового сопротивления пользоваться применяемыми в электротехнике формулами для параллельного и последовательного включения резисторов. Такой метод удобно использовать в тех случаях, когда теплопроводящее тело имеет неоднородную структуру.
Передача тепла конвекцией
Конвекцией называется перенос тепловой энергии движущимися массами жидкости или газа. Для передачи теплоты конвекцией требуется обтекание тела жидкостью или газом, имеющим другую температуру. Конвекция может быть естественной (в результате действия сил тяготения) и вынужденной (за счет действия устройств, создающих перемещение газа или жидкости).
Процесс теплопередачи при конвекции описывается законом Ньютона:
РК =αКSТ(ТТ - ТС), (1.7.5)
где αК - коэффициент теплопередачи конвекцией, Вт/(м2·К); SТ - площадь теплоотводящей поверхности, м2; ТТ, ТС - температуры теплоотводящей поверхности и охлаждающей среды, К.
В общем случае αК является функцией многих параметров охлаждающей среды:
αК = f(ТТ, ТС, β, λ, Cp, ν, g, ρ, a, Ф),
где β - коэффициент объемного расширения среды (жидкости или газа), λ - коэффициент теплопроводности среды; Ср - удельная теплоемкость среды при определенном давлении; ρ - плотность среды; ν - коэффициент кинематической вязкости среды; а = λ/Срρ - температуропроводность среды; Ф - совокупность параметров, характеризующих форму и поверхность тела.
Зависимость физических констант среды от температур ТТ и ТС и бесконечное разнообразий форм поверхности нагретых тел исключают возможность получения табличных значений конвективных коэффициентов теплопередачи как теоретическими, так и экспериментальными методами. Поэтому для определения αК используются условия подобия физических явлений при эксперименте и в естественных условиях (теория подобия). Согласно этой теории сложные процессы характеризуются не отдельными частными параметрами, а обобщенными, представляющими собой безразмерные комплексы размерных физических величин. Если значения обобщенных параметров находятся в определенном диапазоне величин, то процессы (явления) считаются подобными. Математическую связь между этим множеством физических и геометрических параметров реализуют в виде безразмерных комплексов (критериев): Нуссельта (Nu); Грасгофа (Gr); Рейнольдса (Re); Прандтля (Pr); Био (Bi); Фурье (Fo); Пекле (Pe), составленных из величин, существенных для данного процесса.
В теории теплообмена конвекцией используются три обобщенных параметра (критерия), каждый из которых выражается через определенное количество физических параметров среды и имеет следующий физический смысл:
Нуссельта (1.7.6)
характеризует соотношение интенсивностей конвективного теплообмена и теплопроводности в пристеночном слое жидкой или газообразной среды;
Грасгофа (1.7.7)
характеризует соотношение подъемной и вязкой сил;
Прандтля (1.7.8)
характеризует физические свойства среды, где L - определяющий размер элемента конструкции (длина обтекания, длина пластины или цилиндра), м; λ, β, ν, а - соответственно коэффициенты теплопроводности, объемного расширения (жидкости или газа), кинематической вязкости, температуропроводности; g - ускорение свободного падения.
Расчет естественного конвекционного охлаждения производят на основе критериального уравнения:
Nu = m(GrPr)n, (1.7.9)
где m и n - эмпирические коэффициенты, зависящие от режима перемещения охлаждающей среды (табл. 1.7.2).
Таблица 1.7.2
Режимы перемещения охлаждающей среды
GrPrmnРежим движения газа (жидкости)≤10-30,50Пленочный режим10-3 - 5·1021,181/8Ламинарный режим5·102 - 2·1070,541/4Переходный режим2·107 - 10130,1351/3Вихревой (турбулентный) режим С увеличением n поток становится менее направленным и более интенсивным и передача тепла увеличивается. Интенсивность теплопередачи в значительной степени зависит от температуры поверхности тела, физических свойств среды и в меньшей степени - от объема и формы тела.
Пленочный режим характеризуется наличием у поверхности тела почти неподвижной пленки нагретого газа. Интенсивность теплообмена очень мала, процесс теплообмена обусловлен в основном теплопроводностью. Этот режим движения может иметь место у тел с плавными очертаниями.
Ламинарный режим характеризуется спокойным движением частиц охлаждающей среды параллельно друг другу. Интенсивность теплообмена невелика. Режим типичен для среды, омывающей тонкие длинные проводники или другие элементы, имеющие поперечные размеры много меньше длины. Для цилиндров неограниченной длины коэффициент теплопередачи конвекцией
, (1.7.10)
где, А1 - коэффициент, учитывающий физические параметры охлаждающей среды (табл. 1.7.3); Lоп - определяющий геометрический параметр (для проводников круглого сечения и цилиндров правильной формы Lоп = D, для элементов с некруглым поперечным сечением ; D - диаметр цилиндра, м; Sп - площадь поперечного сечения; Lп - периметр сечения, м).
Переходный режим от ламинарного к турбулентному имеет место при охлаждении плоских и цилиндрических поверхностей. Переходный режим сохраняется при выполнении неравенства (1.7.11)
Интенсивность теплообмена возрастает по сравнению с ламинарным режимом:
(1.7.12)
где Кор - коэффициент ориентации, зависящий от положения тела в пространстве; А2 - коэффициент из табл.1.7.3.
Для горизонтального цилиндра диаметром D имеем Lоп = D, м; Кор= 1. Для вертикальной плоскости высотой h Lоп = h, м; Кор= 1. Для горизонтальной плоскости, обращенной нагретой стороной вверх, Lоп = b, м; Кор= 1,3 и Кор= 0.7, для плоскости, обращенной нагретой стороной вниз, где b - размер меньшей стороны плоскости, м.
Турбулентный режим характеризуется большими скоростями протекания потока с завихрениями, что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями жидкости или газа. Коэффициент теплопередачи конвекцией
(1.7.13)
где А3 - коэффициент из табл. 1.7.3; Кор = 1 для цилиндрических и вертикальных поверхностей; Кор = 1,3 для горизонтальных поверхностей, расположенных нагретой стороной вверх; Кор = 0,7 для горизонтальных поверхностей, расположенных нагретой стороной вниз.
Табл.1.7.3
КоэффициентВид охл. средыЗначения теплофизических коэффициентов при следующих температурах Топ, К273283293303313333353373393423А1Воздух0,291-0,295-0,3000,3060,3100,3150,320-Вода9,3511,213,114,715,717,619,020,0--А2Воздух1,441,401,381,361,341,311,291,271,261,245Вода6890105127149178205227--А3Воздух1,691,651,611,571,531,451,391,33--Вода102145198242290363425480-610Примечание. Для коэффициента А1 Топ= ТС, для А2 Топ= 0,5(ТТ + ТС).
Передача тепла излучением
Процесс теплообмена излучением основан на способности твердых, жидких и газообразных тел излучать и поглощать тепловую энергию в виде электромагнитных волн.
Мощность, отдаваемая нагретой поверхностью за счет лучистой энергии может быть определена по формуле, полученной на основании закона Стефана - Больцмана:
, (1.7.14)
где Ри - излучаемая мощность, Вт; εп - приведенная степень черноты излучаемой поверхности; S - площадь изучаемой поверхности, м2; ТТ, ТС - температуры излучаемой поверхности и окружающей среды, К; С0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела: С0 = 5,67 Вт/(м2·К4).
Значения степени черноты некоторых материалов приведены в табл. 1.7.4.
Таблица 1.7.4
Степень черноты различных поверхностей
№Материал и состояние поверхностиТемпература, оССтепень черноты1. Алюминиевая фольга1000,092. Алюминий (полированная пластина)200 - 6000,04 - 0,063. Алюминий (сильно окислен)35 - 5000,2 - 0,314. Дюралюминий Д1650 - 3500,37 - 0,415. Краска алюминиевая1000,286. Краска бронзовая1000,517. Краска эмалевая20 - 1000,928. Лак черный матовый40 - 1000,96 - 0,989. Латунь прокатанная220,0610. Латунь тусклая50 - 3500,2211. Медь (пластина после нагрева до 600оС)2000,5712. Медь шабренная до блеска220,07213. Олово1000,07 - 0,0814. Сталь окисленная250,8 - 0,8215. Сталь полированная1000,06616. Цинк250,23 - 0,27
Задание для самостоятельной работы
1. Найти плотность мощности WT=PT/S, отводимую от тела за счет теплопроводности при следующих условиях: температура входного сечения Т1 = 333К, температура выходного сечения Т2 = 293К ; материал задается преподавателем в соответствии с табл. 1.7.1. Результаты расчета представить в виде таблицы.
Наименование материалаλТ, Вт/(м·К)Т1,КТ2,КWT=PT/S, Вт/м-2 2. Найти плотность мощности WК, отводимую от тела за счет конвекции для переходного и турбулентного режимов движения воздуха. Температуры ТТ и ТС задаются преподавателем. Результаты расчета представит в виде таблицы.
ТТ, КТС, КПлотность мощности при конвекции WК=PК/S, Вт/м-2Переходный режимТурбулентный режимαВαГ1αГ2αВαГ1αГ2 3. Найти плотность мощности WИ, отводимую от тела за счет излучения при следующих условиях: температура тела ТТ = 333К, температура окружающей среды ТС = 293К ; материал и состояние поверхности задается преподавателем в соответствии с табл. 1.7.4. Результаты расчета представить в виде таблицы.
ТТ,КТС,КМатериал и состояние поверхностиεпWИ=PИ/S, Вт/м-2 4. Сделать выводы по эффективности отвода тепла в зависимости от характеристик охлаждаемого тела и охлаждающей среды.
Примечание. При расчетах считать, что тело имеет кубическую форму с размерами сторон а = (10 + N)·10-3 м, где N - номер варианта.
Контрольные вопросы
1. Что понимают под тепловым режимом ЭВС?
2. Какой тепловой режим ЭВС считается нормальным?
3. Как можно увеличить КПД преобразования энергии устройства?
4. Законы передачи тепла теплопроводностью.
5. Что называют конвекцией?
6. От каких параметров зависит коэффициент теплопередачи конвекцией?
7. Обобщенные параметры теплообмена конвекцией.
8. Дайте характеристики режимов движения газа (жидкости) при конвекции.
9. Особенности передачи тепла излучением.
1.8. Выбор способа охлаждения
Тепловая модель
Конструкция ЭВС в теплофизическом отношении представляет собой очень сложную систему с большим количеством источников тепла, с границами неправильной формы. Полную систему уравнений теплообмена для реальной аппаратуры часто невозможно решить аналитически. Анализ теплового режима узлов и блоков ЭВС базируется на учете наиболее существенных черт конструкции данного узла или блока и протекающих в них физических процессов, т.е. основана на идеализации объекта. Такой идеализированный объект представляет собой тепловую модель, а математическое описание процесса переноса тепловой энергии - математическую модель. Тепловая модель узла или блока должна быть адекватна изучаемому явлению и реализуема математически.
При построении тепловой модели блока плату или пакет плат с радиоэлементами принимают за одно тело с изотермической поверхностью (нагретую зону), для которого и производится расчет теплового режима. Предполагается установление равновесия количества подводимой и отводимой тепловой энергии и независимость распределения температуры от времени. В зависимости от конкретной задачи исследования к изотермическим поверхностям конструкций относят поверхность корпуса со среднеповерхностной температурой tк, поверхность нагретой зоны с температурой tз, поверхность отдельной функциональной ячейки с температурой tяi, поверхность отдельного радиоэлемента с температурой tэi и т.д.
Пример построения тепловой модели конструкции блока разъемного типа приведен на рис. 1.8.1.
Как следует из рисунка, среднеповерхностные температуры представляют собой среднеарифметические значения реальных температур в различных точках поверхности, т.е.
; , и т.д.
а)
б)
в)
Рис.1.8.1. Пример построения тепловой модели: а - схематическое изображение конструкции; б - модель для определения среднеповерхностной температуры нагретой зоны, где Р - мощность, выделяемая в нагретой зоне; в - модель для определения среднеповерхностных температур функциональных ячеек, где Р1, Р2,.., Рm - мощности, выделяемые в функциональных ячейках
Детализация тепловой модели дает возможность довести решение до определения температуры отдельного радиоэлемента, однако при этом резко возрастает сложность задачи.
Характеристика систем охлаждения
Под системой охлаждения понимают совокупность устройств и конструктивных элементов, используемых для уменьшения локальных и общих перегревов. Системы охлаждения принято классифицировать по следующим признакам: по типу применяемого холодоносителя (воздух, жидкость, хладагент); по виду физического явления, используемого для обеспечения процесса охлаждения (конвекция, теплопроводность, испарение, излучение); по месту получения холода и подготовки холодоносителя (централизованное, автономное, местное, локальное); по способу регулирования (количеством подаваемого холлодоносителя, изменением температуры подаваемого холодоносителя, количеством и температурой холодоносителя одновременно). По типу применяемого холодоносителя наиболее широкое применение получило воздушное охлаждение вследствие доступности и экономической выгодности такого холодоносителя, как воздух в условиях естественной и принудительной конвекции.
В жидкостных системах охлаждения холодоносителем являются различные капельные жидкости, не доведенные до кипения, а передача теплоты от тепловыделяющих элементов происходит в основном конвекцией. В жидкостно-испарительных системах используются легкокипящие жидкости и жидкости, доведенные до кипения. В кондуктивных системах передача теплоты к ее стоку осуществляется в основном теплопроводностью по кондуктивным теплоотводам, являющимися конструктивными элементами конструкции ЭВС и системы охлаждения. В комбинированных системах используются сочетания различных способов передачи теплоты.
Выбор способа охлаждения
Выбор способа обеспечения нормального теплового режима, а также системы охлаждения ЭВС, как правило, производится на ранних стадиях разработки. Выбранный способ охлаждения должен обеспечить нормальный тепловой режим конструкции ЭВС. Под нормальным тепловым режимом понимается выполнение следующих условий: температура всех деталей и узлов конструкции при заданных условиях эксплуатации не должна превышать предельно допустимых температур, указанных в ТУ на детали и узлы; температуры всех деталей и узлов конструкции должны быть таковы, что обеспечивается работа устройства с заданной точностью и надежностью. Выбор системы охлаждения производится по графикам (рис.1.8.2), которые ограничивают области целесообразного применения того или иного способа охлаждения. Эти области построены по результатам обработки статистических данных о показателях тепловых режимов реальных конструкций, расчетов показателей тепловых режимов по тепловым моделям и экспериментальных данных, полученных на макетах.
Основным показателем, определяющим области целесообразного применения способа охлаждения (рис.1.8.2), является плотность теплового потока
qs = P/S, (1.8.2)
где Р - мощность, выделяемая внутри объема, ограниченного поверхностью теплообмена, Вт; S - площадь поверхности теплообмена. Рис.1.8.2. Диаграмма выбора способа охлаждения: 1 - естественное воздушное; 2 - естественное и принудительное воздушное; 3 - принудительное воздушное; 4 - принудительное воздушное и жидкостное; 5 - принудительное жидкостное; 6 - принудительное жидкостное и естественное испарительное; 7 - принудительное жидкостное, принудительное и естественное испарительное; 8 - естественное и принудительное испарительное; 9 - принудительное испарительное
Вторым показателем является допустимый перегрев в конструкции
Δtдоп = tэ min - tc, (1.8.3)
где tэ min - допустимая рабочая температура наименее теплостойкого радиоэлемента; tc - температура окружающей среды.
Для естественного воздушного охлаждения tc = tc max, т.е. соответствует максимальной температуре окружающей среды, заданной в ТЗ. Для принудительного охлаждения tc = tвх, т.е. соответствует температуре воздуха (жидкости) на входе системы охлаждения.
Значения qs и Δt являются координатами точки, попадающей в одну из областей (рис.1.8.2), каждой из которых соответствует один (незаштрихованная область) или несколько способов охлаждения (заштрихованная область). Для заштрихованных областей диаграммы, где возможно использование двух или трех различных способов охлаждения, способ охлаждения уточняется на более поздних этапах конструирования.
Задание для самостоятельной работы
1. Определить область целесообразного применения способа охлаждения (рис. 1.8.2) при следующих условиях: - размеры нагретой зоны L1=150+10N; L2=180+10N; L3=220+10N, мм;
- допустимый перегрев Δtдоп=40оС;
- мощность, выделяемая внутри нагретой зоны:
Р = (228,557N - 228, 357)·103, Вт;
где N - номер варианта, задаваемый преподавателем.
Результаты расчетов показателей, определяющих область целесообразного применения способа охлаждения, привести в виде таблицы.
Размеры нагретой зоны, мР, ВтΔt, оСqs, Вт/м2L1L2L3 2. Дать характеристику способа охлаждения.
Контрольные вопросы
1. Порядок построения тепловой модели блока.
2. Что понимают под системой охлаждения?
3. Классификация систем охлаждения.
4. Показатели, определяющие области целесообразного применения способа охлаждения.
5. Особенности определения способа охлаждения по диаграмме.
1.9. Оценка теплового режима ЭВС коэффициентным методом при воздушном охлаждении
Коэффициентный метод расчета теплового режима
При создании методики коэффициентного расчета применяются экспериментальные данные по тепловым режимам реальной аппаратуры различного конструктивного исполнения. Исследование теплового режима конструкции ЭВС состоит в определении температуры t в некоторой точке и температурного перегрева Δt относительно окружающей среды. Перегрев Δt в устройстве можно определить по формуле
,(1.8.1)
где Ki - поправочные коэффициенты, учитывающие различные факторы, влияющие на условия теплообмена, причем каждый коэффициент зависит только от одного параметра; Δt0 - перегрев для типичного устройства рассматриваемого класса с фиксированными значениями параметров; n - число поправочных коэффициентов.
Средняя квадратичная погрешность данного метода в различных классах устройств разная, но примерно соответствует следующим значениям: для корпуса ~ 8%; для нагретой зоны ~ 15%; для максимальных значений температур ~ (15 - 20%). Такая точность является вполне удовлетворительной для технических целей. Дальнейшее увеличение точности связано с большой детализацией и усложнением расчета и не всегда бывает оправданным. Исследования показали, что в рассматриваемых задачах возможно снизить погрешность примерно вдвое, но громоздкость расчета и количество исходных параметров увеличивается примерно на порядок, а общность метода значительно снижается.
Оценка теплового режима ЭВС в герметичном
корпусе при естественном воздушном охлаждении
Естественное воздушное охлаждение является основным средством охлаждения герметичной аппаратуры. Герметизация узлов может вызываться различными обстоятельствами: бескорпусной элементной базой; наличием элементов, не предназначенных для работы при низких барометрических давлениях; защитой от возможных электрических пробоев при низких барометрических давлениях; необходимостью предохранения элементов от попадания пыли, влаги, кислот, заряженных частиц и т.п.
Обеспечение нормального теплового режима герметичных конструкций является очень сложной задачей, так как значения тепловых сопротивлений в таких конструкциях удваиваются, поскольку естественная конвекция присутствует в них дважды: внутри блока от элементов к корпусу и снаружи от корпуса в окружающую среду. Если наружное тепловое сопротивление можно уменьшить увеличением теплоотдающей поверхности оребрением или введением обдува наружных поверхностей корпуса, то возможности снижения внутреннего теплового сопротивления ограничены. Для этой цели возможна замена воздуха внутри блока другим газом с лучшими теплофизическим свойствами, например азотом, гелием, воздушно-гелиевой смесью. Наибольший эффект в снижении теплового сопротивления в 1,5 - 2 раза дает применение в качестве заполнителя объема шестифтористой серы (элегаз). Поскольку эффективность теплоотдачи конвекцией зависит от давления газа, то целесообразно внутри герметичного блока создавать избыточное давление. Необходимо учитывать, что при естественной воздушной конвекции большое значение имеет тепловое излучение. Поэтому необходимо, чтобы все теплоотдающие и тепловыделяющие поверхности, в первую очередь корпуса аппаратуры, имели высокую степень черноты.
При компоновке необходимо стремиться к равномерному распределению выделяемой мощности по всему объему устройства. Компоненты и узлы с большими тепловыделениями необходимо располагать в верхней части корпуса или вблизи стенок, критичные к перегреву компоненты - в нижней части, защищать тепловыми экранами. Порядок расчета.
Рассчитывается поверхность блока по формуле
Sк = 2[L1L2 + (L1 + L2)L3], (1.9.1)
где L1, L2 - горизонтальные размеры корпуса; L3 - вертикальный размер корпуса.
Определяется условная поверхность нагретой зоны:
Sз = 2[L1L2 + (L1 + L2)L3Kз], (1.9.2)
где Кз - коэффициент заполнения объема корпуса.
Определяется удельная мощность корпуса блока:
qк = Рз / Sк, (1.9.3)
где Рз - мощность, выделяемая в нагретой зоне. Рассчитывается удельная мощность нагретой зоны:
qз = Рз / Sз. (1.9.4)
Находится коэффициент К1, зависящий от удельной мощности, выделяемой в корпусе:
К1 = 0,1472qк - 0,2962·10-3qк2 + 0,3127·10-6qк3. (1.9.5)
Находится коэффициент К2, зависящий от удельной мощности, выделяемой в нагретой зоне:
К2 = 0,1390qз - 0,1223·10-3qз2 + 0,0698·10-6qз3. (1.9.6)
Находится коэффициент КН1 , зависящий от давления среды вне корпуса блока:
КН1 = 0,82 + 1/(0,925 + 4,6·10-5H1), (1.9.7)
где Н1 - атмосферное давление снаружи корпуса блока.
Находится коэффициент КН2, зависящий от давления Н2 внутри корпуса блока:
КН2 = 0,80 + 1/(1,25 + 3,8·10-5Н2). (1.9.8)
Определяется перегрев Δtк корпуса блока:
Δtк = К1KН1. (1.9.9)
Рассчитывается перегрев Δt з нагретой зоны:
Δtз = Δt к + (К2 - К1)KН2. (1.9.10)
Определяется средний перегрев Δt в воздуха в блоке:
Δt в = 0,57(Δt к + Δt з). (1.9.11)
Определяется удельная мощность элементов, находящихся в нагретой зоне :
qэл = Pэл / Sэл, (1.9.12)
где Рэл - мощность, рассеиваемая элементом (узлом), температуру которого требуется определить; Sэл - площадь поверхности элемента, обдуваемая воздухом.
Рассчитывается перегрев поверхности элемента:
Δtэл = Δtз[А + В(qэл / qз)], (1.9.13)
где А = 0,75, В = 0,25.
Рассчитывается перегрев окружающей элемент среды:
Δtэс = Δtв[А + В (qэл / qз)]. (1.9.14)
Определяется температура корпуса блока:
Тк = Δtк + Тс, (1.9.15)
где Тс - температура окружающей блок среды.
Определяется температура нагретой зоны:
Тз = Δtз + Тс. (1.9.16)
Находится температура поверхности элемента:
Тэл = Δtэл + Тс. (1.9.17)
Находится средняя температура воздуха в блоке:
Тв = Δtв + Тс. (1.9.18)
Находится температура окружающей элемент среды:
Тэс = Δtэс + Тс. (1.9.19) Оценка теплового режима ЭВС в перфорированном
корпусе при естественном воздушном охлаждении
В случаях, когда герметичность конструкции не является обязательным условием, целесообразно осуществлять перфорирование корпуса. При перфорированном корпусе конвективный теплообмен в основном Происходит между элементами ЭВС и окружающей средой, проникающей сквозь перфорацию. Количество протекающего воздуха будет зависеть от площади перфорации и разницы между плотностью воздуха на входе и выходе блока. В то же время увеличение мощности, отводимой в протекающий воздух при увеличении площади перфорационных отверстий, будет наблюдаться только до определенных пределов. Увеличение площади отверстий приводит к уменьшению площади корпуса и, следовательно, к уменьшению мощности лучеиспускания. Уменьшение поверхности контактирования с окружающим воздухом в конечном итоге может привести к снижению мощности, отводимой протекающим воздухом.
Как показывает практика, оптимальное соотношение между площадью отверстий и поверхностью корпуса лежит в пределах 20 - 30%. Перфорации могут быть различных видов: отверстия, жалюзи, сетки и т.п. Форма отверстий может быть различной, но при квадратных отверстиях увеличивается отношение между площадью отверстий и площадью перемычек, что благоприятно сказывается на эффективности охлаждения. Размеры отверстий могут быть следующими: круглые отверстия могут иметь диаметры 4, 6, 8 и 10 мм; квадратные - 4x4 мм; прямоугольные - 3x25, 4x50 мм. Чем меньше размеры вентиляционных отверстий, тем меньше вероятность попадания внутрь ЭВС внешних помех.
Перфорации целесообразно располагать на горизонтальных поверхностях, отстоящих друг от друга на максимальном расстоянии, в идеале на крышке и дне корпуса. При этом для обеспечения возможности свободного подхода к аппаратуре охлаждающего воздуха дно корпуса должно быть приподнято над базовой поверхностью на 20 - 30 мм. В иных случаях допускается перфорировать боковые стенки, но при этом перфорации следует располагать на расстоянии от дна или крышки не более 1/4 высоты корпуса. Когда толщина стенок корпуса не обеспечивает необходимой жесткости, вместо отверстий применяют жалюзи.
С внутренней стороны корпуса вентиляционные отверстия часто закрывают металлическими сетками. Вместо сеток в днище стоек устанавливают пылезащитные фильтры. Жалюзи в выключенном состоянии предохраняют аппаратуру от попадания внутрь пыли.
Порядок расчета.
Коэффициенты К1, К2, КН1, КН2 находятся в соответствии с формулами (1.9.5) - (1.9.8).
Рассчитываем степень перфорированности корпуса: П = Sп / (2·L1·L2), (1.9.20)
где Sп - площадь перфорационных отверстий на верхней и нижней плоскости корпуса.
Находим коэффициент Кп в зависимости от степени перфорации:
Кп = 0,29 + 1 / (1,41 + 4,95·П). (1.9.21)
Находим перегрев нагретой зоны:
Δtз = 0,93·Кп·[К1·КН1 + (К2/0,93 - К1)·КН2]. (1.9.22)
Определяем перегрев корпуса блока:
Δtк = 0.93·К1·КН1·Кп. (1.9.23) Определяем средний перегрев воздуха в блоке:
Δtв = 0,6·Δtз. (1.9.24)
Находим температуры корпуса блока, нагретой зоны и воздуха в блоке:
Тк = Δtк + Тс; (1.9.25)
Тз = Δtз + Тс; (1.9.26)
Тв = Δtв + Тс, (1.9.27)
где Тс - температура окружающей среды.
Оценка теплового режима ЭВС при принудительном
воздушном охлаждении
Принудительное воздушное охлаждение получило наибольшее распространение, так как позволяет при более высоких удельных мощностях рассеивания обеспечить нормальный тепловой режим ЭВС при относительной простоте и небольшой стоимости. Вместе с тем системы принудительного воздушного охлаждения имеют и ряд существенных недостатков, таких как наличие акустических шумов и вибрации, увеличение объема и массы, снижение надежности изделия и увеличение затрат мощности на охлаждение.
Конструкция, в которой используется принудительная воздушная вентиляция, должна обладать следующим требованиям:
- обладать малым аэродинамическим сопротивлением протекающему воздуху;
- обеспечивать хороший доступ холодного воздуха к теплонагруженным элементам;
- предотвращать попадание нагретого воздуха на теплочувствительные элементы;
- защищать внутренний объем от пыли;
- обеспечивать резервирование принудительного воздушного потока;
- осуществлять автоматическое отключение блока при выходе из строя системы принудительной вентиляции.
Различают три основные схемы принудительного воздушного охлаждения: внутреннее перемешивание, наружный обдув, продувку. При применении внутреннего перемешивания газа с помощью встроенного вентилятора к мощности, рассеиваемой в герметичном блоке, добавляется мощность электродвигателя вентилятора. Температура внутри блока снижается за счет интенсивности принудительного воздушного охлаждения. Кроме того, при этом значительно выравниваются температуры элементов внутри, что для некоторых классов аппаратуры является важным параметром. Внутреннее перемешивание и наружный обдув сочетают признаки принудительного и естественного охлаждения, поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать схему охлаждения с продувкой. При продувке воздух из окружающей среды или предварительно охлажденный в специальных устройствах (теплообменниках, кондиционерах и т.д.) пропускается через специальные каналы и охлаждают элементы ЭВС. На практике применяют три системы принудительного воздушного охлаждения: приточную, вытяжную и приточно-вытяжную (рис.1.9.1). Приточная система характеризуется тем, что воздух под давлением, создаваемым вентилятором, поступает в аппаратуру, отбирает тепло от элементов и выбрасывается в окружающую среду или поступает в вытяжной воздуховод (коллектор). В вытяжной системе вентилятор устанавливается на выходе воздуха из аппаратуры. При этом он высасывает воздух из корпуса. В приточно-вытяжной системе вентиляторы устанавливают и на входе и на выходе воздуха. Каждая из систем обладает своими недостатками и достоинствами. Достоинством приточной системы является то, что воздух в аппаратуру подается с повышенным давлением, что благоприятствует теплоотдаче внутри аппаратуры. Вместе с тем поступающий в шкаф воздух имеет более высокую температуру, так как он нагревается за счет части мощности, потребляемой электродвигателем вентилятора. В вытяжной системе мощность вентилятора не оказывает влияние на температуру всасываемого в аппаратуру воздуха, однако этот воздух имеет давление несколько ниже нормального и поэтому менее эффективен как теплоноситель. Кроме того, в такой системе электродвигатель вентилятора находится в потоке горячего воздуха, выходящего из аппаратуры, и здесь следует обращать внимание на то, чтобы температура электродвигателя не превышала допустимую.
а)б)в)
Рис.1.9.1. Системы принудительного воздушного охлаждения аппаратуры: а - приточная; б - вытяжная; в - приточно-вытяжная
Приточная и вытяжная системы имеют общий недостаток: они не препятствуют утечкам воздуха. В то же время применение приточно-вытяжной системы даже без изменения конструкции аппаратуры позволяет в несколько раз снизить утечки воздуха. Поэтому, несмотря на кажущуюся сложность приточно-вытяжной системы, применение ее экономически целесообразно.
При использовании коэффициентного метода оценки теплового режима для системы принудительного воздушного охлаждения делаются следующие допущения:
- температура окружающей среды -60 ÷ +60 °С;
- температура охлаждающего воздуха на входе -20 ÷ +60 °С;
- коэффициент заполнения 0,1 ÷ 0,65;
- мощность, рассеиваемая в блоке, 5 ÷ 800 Вт;
- массовый расход охлаждающего воздуха 0,003 ÷ 0,25 кг/с;
- сечение блока, перпендикулярное к направлению продува 0,02 ÷ 0,75 м2 и длина блока в направлении продува 0,1 ÷ 0,8 м.
Для оценки теплового режима блока с принудительным воздушным охлаждением с использованием экспериментальных данных была получена следующая формула для определения перегрева нагретой зоны:
Δtз = Pm1m2m3m4 + Δtв , (1.9.28)
где m1 - коэффициент, учитывающий величину массового расхода охлаждающего воздуха; m2 - коэффициент, учитывающий величину площади поперечного к направлению обдува сечения блока; m3 - коэффициент, учитывающий длину блока в направлении продува; m4 - коэффициент, учитывающий заполнение блока; Δtв - средний перегрев воздуха в блоке.
Определяем средний перегрев воздуха в блоке
Δtв = P/(2CpG ) = 5·10-4P/G , (1.9.29)
где Р - мощность источников тепла, расположенных в блоке; G - массовый расход охлаждающего воздуха; Ср - теплоемкость воздуха (Ср = 103 Дж/кг·К при нормальных условиях).
Находим площадь поперечного в направлении продува сечения корпуса блока:
S = L1L2, (1.9.30)
где L1 и L2 - размеры корпуса блока, перпендикулярные направлению продува.
Находим коэффициент m1 в зависимости от массового расхода охлаждающего воздуха:
m1 = 0,001G-0,5. (1.9.31)
Находим коэффициент m2 в зависимости от поперечного в направлении продува сечения корпуса блока:
m2 = (L1L2)-0,406. (1.9.32)
Определяем коэффициент m3 в зависимости от длины корпуса блока в направлении продува:
m3 = L3-1,059. (1.9.33)
Находим коэффициент m4 в зависимости от коэффициента заполнения блока:
m4 = Kз-0,42(1-Кз2/3)0,5. (1.9.34)
Рассчитываем перегрев нагретой зоны блока:
Δtз =Δtв + Pm1m2m3m4. (1.9.35)
Находим площадь условной поверхности нагретой зоны: Sз = 2[L1L2 +(L1 + L2)L3Kз] . (1.9.36)
Определяем удельную мощность, выделяемую в нагретой зоне:
qз = Р/Sз.(1.9.37)
Находим удельную мощность, выделяемую элементом:
qэл = Рэл/Sэл,(1.9.38)
где Рэл - мощность, рассеиваемая элементом; Sэл - площадь поверхности элемента, обдуваемая воздухом.
Рассчитываем перегрев поверхности элемента:
Δtэл = Δtз(0,75 + 0,25qэл/qз)(0,5 + L/Lз), (1.9.39)
где L - расстояние в направлении движения охлаждающего воздуха от входного сечения до места расположения элемента.
Рассчитываем перегрев окружающей элемент среды:
Δtэс = Δtв(0,75 + 0,25qэл/qз)(0,5 + L/Lз). (1.9.40)
Находим температуру нагретой зоны:
Тз = Δtз + Твх ; (1.9.41)
среднюю температуру воздуха в блок:
Тв = Δtв + Твх; (1.9.42)
температуру воздуха на выходе из блока:
Тв2 = 2Δtв + Твх; (1.9.43) температуру поверхности элемента:
Тэл = Δtэл + Твх; (1.9.44)
температуру окружающего элемент воздуха:
Тэс = Δtэс + Твх. (1.9.45)
Задание для самостоятельной работы 1. Оценка теплового режима блока ЭВС с герметичным корпусом.
Исходные данные для расчета:
1) температура воздуха окружающей среды Тс, oC:
Тс = 5 + N;
2) коэффициент заполнения Кз:
Кз = 0,3 + 0,02N;
3) мощность Р, выделяемая в объеме блока, Вт:
Р = 150 +10N;
4) атмосферное давление снаружи корпуса Н1, МПа:
Н1 = 0,01 + 0,002N;
5) давление внутри блока Н2, МПа:
Н2= 0,015 + 0,002N;
6) размеры блока - L1, L2, L3, мм:
L1=150+10N; L2=180+10N; L3=220+10N;
где N - номер варианта, задаваемый преподавателем.
1.1. Рассчитать тепловые характеристики для корпуса и нагретой зоны. Результаты расчета представить в виде следующей таблицы.
Тепловые характеристики нагретой зоны и корпуса блока
qк, Вт/м2qз, Вт/м2Δtк, оCΔtз, оCΔtв,оCTк, оCТз, оCТв, оC 1.2. Рассчитать тепловые характеристики для радиоэлементов, находящихся в нагретой зоне (тип радиоэлемента задается преподавателем). Данные расчета представить в виде таблицы.
Тепловые характеристики элементов
Тип элементаSэл, м2Рэл, Втqэл, Вт/м2Тэл, оСTэс, оCТз, оCТк, оC 1.3. Построить график зависимости тепловых характеристик Тк, Тз, Тв от внешнего давления среды Н1. Данные расчета представить в виде таблицы.
Влияние внешнего давления Н1 на тепловые характеристики
Тепловая характеристикаВнешнее давление, МПа 0,010,020,040,060,080,10 2. Оценка теплового режима для блока ЭВС с перфорированным корпусом.
Исходные данные для расчета:
В качестве исходных данных взять данные из п.1. Атмосферное давление снаружи корпуса и давление внутри корпуса считать одинаковыми: Н1 = Н2 = 0,01 + 0,002N.
2.1. Рассчитать влияние степени перфорированности корпуса блока на температуры корпуса Тк, нагретой зоны Тз и воздуха Тв в блоке. Результаты расчета привести в виде таблицы.
Результаты расчета тепловых характеристик Тк, Тз, Тв
Тепловая характеристикаСтепень перфорированности корпуса П0,100,120,140,160,180,200,22 2.2. Построить графики влияния степени перфорированности корпуса П на тепловые характеристики Тк, Тз, Тв. 3. Оценка теплового режима для блока ЭВС с принудительным воздушным охлаждением.
Исходные данные для расчета:
1) температура воздуха на входе блока Твх, oC:
Твх = 5 + N;
2) производительность вентилятора G, кг/с:
G = 0,01N;
3) остальные данные в соответствии с п.1 (коэффициент заполнения, Кз; мощность Р, выделяемая в объеме блока, Вт; размеры блока - L1, L2, L3, мм).
3.1. Определить температуры нагретой зоны Тз, воздуха на выходе из блока Тв2, воздуха в блоке Тв. Результаты расчета представить в виде таблицы.
Тепловые характеристики блока
θв, оСm1m2m3m4Тз, оСТв, оСТв2, оС 3.2. Определить температуру нагретой зоны, температуру воздуха в блоке, температуру воздуха на выходе из блока в зависимости от производительности вентилятора. Результаты расчета представить в виде таблицы.
Температура определяемой характеристикиПроизводительность вентилятора, кг/с0,0030,0060,0090,0120,0150,0180,0210,025 3.3. Построить графики зависимостей Тз, Тв, Тв2 от производительности вентилятора.
3.4. Определить перегрев элемента с площадью поверхности Sэл = 1,3 см2 в зависимости от расстояния от входного сечения. (Рэл = 0,25 Вт). Результаты расчета представить в виде таблицы.
θэл, оСРасстояние от входного сечения, L0,2L0,4L0,6L0,8L1,0L 3.5. Построить график зависимости перегрева элемента от расстояния от входного сечения.
Контрольные вопросы
1. Что такое конвекция?
2. Методы конвекционного охлаждения аппаратуры.
3. Тепловая модель.
4. От чего зависит эффективность конвекционного охлаждения?
5. Какие другие методы теплового охлаждения аппаратуры применяют в конструкциях ЭВС?
6. Как влияет внешнее и внутреннее давление на перегрев корпуса и нагретой зоны?
7. Как влияет перфорация корпуса на тепловой режим работы аппаратуры?
8. Сущность методики расчета теплового режима аппаратуры в перфорированном корпусе.
9. Способы принудительного охлаждения аппаратуры.
10. Требования, предъявляемые к конструкции с принудительным воздушным охлаждением.
1.10. Оценка показателей надежности узлов ЭВС Понятие надежности конструкции
Надежность - это свойство конструкции сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Надежность является сложным свойством, которое в зависимости от назначения конструкции и условий применения состоит из сочетания свойств безотказности, долговечности, сохраняемости, ремонтопригодности. Первые три свойства основаны на противодействии разрушительным физико-химическим и механическим воздействиям, четвертое - на создании благоприятных условий для предупреждения и обнаружения причин повреждений и их устранения.
Работоспособным называют такое состояние конструкции (изделия), когда она в любой момент времени может выполнять свои функции в соответствии с документацией, в отличие от исправного состояния, при котором она тоже соответствует всем требованиям документации, но не обязательно способна в данный момент выполнять заданные функции. Исправное изделие в рассматриваемый момент времени может находиться на складе, транспортироваться и т.д.
Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности конструкции (изделия). Безотказность означает требование к конструкции непрерывно сохранять работоспособность в заданных режимах и условиях эксплуатации в течение некоторого времени, или наработки. Отказы по своему характеру делят на внезапные и постепенные. Внезапные отказы возникают в результате мгновенного изменения одного или нескольких параметров элементов конструкции (обрыв или короткое замыкание). Устранение внезапного отказа производят заменой отказавшего элемента исправным или его ремонтом. Постепенные отказы возникают в результате изменения параметров элементов до тех пор, пока значение одного из параметров не выйдет за некоторые пределы, определяющие нормальную работу элементов. Причинами изменения параметров являются: старение элементов, воздействие окружающей среды, колебания температуры, влажности, давления, механические воздействия (вибрации, удары, перегрузки). Устраняют постепенные отказы заменой, ремонтом, регулировкой отказавшего элемента.
Долговечность - свойство конструкции сохранять работоспособность с установленными заранее перерывами для технического обслуживания и ремонтов вплоть до наступления предельного состояния, связанного с невозможностью использования по назначению. Предельное состояние является таким состоянием конструкции (изделия), при котором ее дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена по одной из следующих причин: из-за неустранимого нарушения техники безопасности; из-за неустранимого ухода заданных параметров за установленные пределы; из-за нецелесообразности проведения среднего или капитального ремонта.
Сохраняемость - это способность конструкции сохранять эксплуатационные показатели работоспособности по истечении заданного срока хранения и транспортирования в регламентированных условиях.
Ремонтопригодность - это приспособляемость конструкции к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, поддержанию и восстановлению работоспособности путем проведения технического обслуживания и ремонтов.
Процесс возникновения отказов в ЭВС описывается сложными вероятностными законами. Для оценки надежности ЭВС вводят количественные характеристики, для определения которых обычно используют экспериментальные данные и последующую их обработку.
Оценка надежности ЭВС
Исходными данными для расчета показателей надежности конструкции ЭВС являются: принципиальная схема с указанием типа деталей, входящих в неё; режимы работы всех деталей (электрические, климатические и механические); значения интенсивности отказов всех типов деталей при номинальных и фактических режимах, значения среднего времени безотказной работы и дисперсия для элементов, подверженных постепенным отказам. К основным "компонентам ненадежности" конструкций ЭВС можно отнести: комплектующие элементы (интегральные схемы и электрорадиоэлементы); элементы монтажа (линии связи, сварные, паяные или термокомпрессионные соединения, разъемы, печатные платы, металлизированные отверстия). Для всех этих элементов преобладающими являются внезапные отказы.
Интенсивность отказов комплектующих элементов с учетом условий эксплуатации изделия находим по следующей формуле:
(1.10.1)
где λ0i - интенсивность отказов элемента при нормальных условиях работы (температура окружающей среды Тс = +(298±10)К, относительная влажность (65±15)%, коэффициент электрической нагрузки kн = 1); k1, k2 - поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов; k3 - поправочный коэффициент в зависимости от воздействия влажности и температуры; k4 - поправочный коэффициент в зависимости от давления воздуха; ai(T, kн) - поправочный коэффициент в зависимости от температуры поверхности элемента (T) и коэффициента нагрузки (kн). Коэффициентом нагрузки называют отношение фактического значения воздействующего фактора к его номинальному или максимально допустимому значению. Усредненные данные по интенсивностям отказов комплектующих элементов и электрических соединений приведены в табл. 1.10.1.
В табл. 1.10.2 - 1.10.4 приведены значения поправочных коэффициентов k1 - k4.
Таблица 1.10.1
Интенсивность отказов комплектующих элементов и электрических соединений
Наименование элементаИнтенсивность отказов λ0i,10-6,ч-1Аккумуляторы7,2Вентиляторы2,2Гнезда0,01Громкоговорители динамические4Датчики оптические4,7Диоды маломощные0,02Диоды мощные0,2Дроссели0,34Кабели0,475Катушки индуктивности0,02Клеммы, зажимы0,0005Конденсаторы воздушные переменные0,034Конденсаторы стеклянные0,06Конденсаторы танталовые0,02Конденсаторы керамические0,15Конденсаторы электролитические0,035Микросхемы в керамическом корпусе0,01Микросхемы в пластмассовом корпусе0,1Обмотки электродвигателя0,08Пайка печатного монтажа0,01Пайка навесного монтажа0,03Переключатели кнопочные0,07·n (контактов)Предохранители0,5Провода соединительные0,015Разъемный контакт0,05Резисторы композиционные0,043Резисторы пленочные 0,03Резисторы проволочные0,087Резисторы угольные0,045Продолжение табл. 1.10.1
Реле0,25·n (контактов)Соединение "под винт"0,08Соединение накруткой0,0012Соединение обжимкой0,006Соединение сваркой0,0006Соединители0,062·nТранзисторы кремниевые до 150 мВт0,84Транзисторы кремниевые до 1 Вт0,5Транзисторы кремниевые до 4 Вт0,74Трансформаторы высокочастотные0,045Трансформаторы силовые0,025Трансформаторы выходные0,09Трансформаторы звуковой частоты0,02Автотрансформаторы0,06Электродвигатели асинхронные8,6Электродвигатели синхронные0,359 Таблица 1.10.2
Коэффициенты влияния механических воздействий
Условия эксплуатации аппаратурыВибрация k1Ударные нагрузки k2Лабораторные1,01,0Стационарные (полевые)1,041,03Корабельные1,31,05Автофургонные1,351,08Железнодорожные1,41,1Самолетные1,461,13
Таблица 1.10.3
Коэффициент влияния влажности и температуры
Влажность, %Температура, оСПоправочный коэффициент k360 - 7020 - 401,090 - 9820 - 252,090 - 9830 - 402,5
Таблица 1.10.4
Коэффициент влияния атмосферного давления
Давление, кПаПоправочный коэффициент k4Давление, кПаПоправочный коэффициент k40,1 - 1,31,4532 - 421,21,3 - 2,41,4042 - 501,162,4 - 4,41,3650 - 651,144,4 - 12,01,3565 - 801,112 - 241,380 - 1001,024 - 321,25 Для учета влияния режима работы на интенсивность отказов электрорадиоэлементов вводят коэффициент нагрузки kн = Нраб/Нном, равный отношению нагрузки в рабочем режиме к нагрузке в номинальном режиме. Коэффициент нагрузки для транзисторов
kн1 = Рк.раб/Рк.ном; kн2 = Uк.э.раб/Uк.э.ном; kн3 = Iк.раб/Iк.ном;
для резисторов
kн = Рраб/Рном;
для конденсаторов
kн = Uраб/Uном;
для диодов
kн1 = Iпр.раб/Iпр.ном; kн2 = Uобр.раб/Uобр.ном;
для трансформаторов
kн = Jiраб/Jiном,
где Ji - плотность тока в i-й обмотке.
Для учета импульсных режимов работы элементов при подсчетах основных электрических параметров в соответствующие формулы вводят скважность сигналов Q. Например, средняя мощность
,
где tи - длительность импульса; Т - длительность такта.
Графики для определения значений поправочных коэффициентов ai(T, kн) для различных радиоэлементов приведены на рис.1.10.1 - 1.10.4.
Рис. 1.10.1. Зависимость для транзисторов
Рис. 1.10.2. Зависимость ai(T, kн) для конденсаторов Рис. 1.10.3. Зависимость ai(T, kн) для полупроводниковых диодов
Рис. 1.10.4. Зависимость ai(T, kн) для резисторов Рассчитывается вероятность безотказной работы конструкции ЭВС в течение заданной наработки (0, tp): , (1.10.2)
где n - число элементов.
Вычисляется интенсивность отказов конструкции ЭВС:
. (1.10.3)
Находится среднее время наработки до отказа конструкции ЭВС:
. (1.10.4)
Среднее время наработки на отказ сравнивается с заданным в техническом задании на разработку изделия.
Надежность аппаратуры определяется надежностью и количеством используемых в ней элементов. Так как надежность является одним из основных параметров изделия, то, проектируя аппаратуру, ее следует оценивать наряду с другими параметрами и на основе этих расчетов делать выводы о правильности выбранной схемы и конструкции изделий.
На этапе проектирования, когда еще точно не определены режимы работы схемы, производят расчет, задаваясь ориентировочными данными, определяющими режимы работы. Так, в качестве температуры окружающей среды для каждого из элементов может быть принято среднее значение температуры внутри блока, определенное на основании оценки теплового режима блока.
Ориентировочные значения коэффициентов нагрузки по напряжению могут быть определены для элементов каждого типа по известному напряжению источника питания и номинальному значению напряжений всех элементов.
Коэффициенты нагрузки по мощности резисторов для ориентировочного расчета следует выбирать в пределах 0,5 - 0,6. После того как определены условия работы элементов и интенсивность отказов с учетом этих условий, можно рассчитать интенсивность отказов аппаратуры и среднюю наработку на отказ, пользуясь формулами (1.10.3) и (1.10.4). Вероятность безотказной работы может быть вычислена по (1.10.2). Входящее в это выражение время tр дается в техническом задании на разработку.
Если полученные в результате расчета параметры надежности не соответствуют требованиям, то следует проанализировать возможность повышения надежности за счет облегчения режимов или использования более надежных типов элементов. Следует также проанализировать, как применение новых элементов или режимов использования скажется на массе, габаритах, стоимости и других технико-экономических параметрах изделия. Задание для самостоятельной работы
1. Вариант задания для расчета надежности электронного блока - это разработанная студентом печатная плата в предыдущих заданиях и перечень элементов к ней.
2. Пользуясь графиками, приведенными в данном описании (рис.1.10.1 - 1.10.4), определить поправочные коэффициенты.
3. Результаты расчета интенсивности отказов радиоэлементов проектируемого изделия привести в виде таблицы.
Порядковый номерНаименование элементаСхемное обозначениеТип элементаИнтенсивность отказов в нормальном режиме λ0i,10-6,ч-1Коэффициент нагрузки kнiТемпература Тi, oCПоправочный коэффициент ai(T, kн)Интенсивность отказов i-го элемента с учетом внешних условийИнтенсивность отказов i-го элемента в рабочем режиме1..i 3. Сделать вывод о надежности разработанного изделия.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение надежности изделия.
2. Что называют отказом изделия? Дайте характеристики различных видов отказов.
3. Как определяется интенсивность отказов?
4. Какие логические схемы надежности резервированных систем существуют?
5. В чем заключается расчет надежности изделия?
6. Какие поправочные коэффициенты вводятся при расчете надежности?
ЧАСТЬ 2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА
ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ
2.1. Расчет показателей технологичности конструкции электронного узла
Общие сведения
Под технологичностью конструкции изделия понимается совокупность свойств конструкции изделия, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте по сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкций изделий того же назначения при обеспечении установленных значений показателей качества и принятых условий изготовления, эксплуатации и ремонта. Технологичность конструкции изделия оценивают количественно с помощью системы показателей. В нее входят:
1) базовые значения показателей технологичности;
2) значения показателей технологичности, достигнутые при разработке изделия;
3) показатели уровня технологичности конструкции разрабатываемого изделия.
Для каждой группы изделий определен состав базовых показателей (не более семи). Их выбирают с учетом наибольшего влияния на технологичность конструкции блоков.
Расчетные выражения
1. Коэффициент использования микросхем и микросборок (МСБ) для электронного блока определяется по формуле
где N сх - общее число микросхем и МСБ в изделии, шт ; N эрэ - общее число ЭРЭ, шт.
2. Коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделия
где Nам - число монтажных соединений, которые могут осуществляться механизированным или автоматизированным способом; Nм - общее число монтажных соединений.
3. Коэффициент механизации подготовки ЭРЭ
где Nмп эрэ - число ЭРЭ (шт.), подготовка которых к монтажу может осуществляться механическим или автоматизированным способом. В число указанных ЭРЭ включаются элементы, не требующие специальной подготовки к монтажу. Все ЭРЭ формуются механическим способом.
4. Коэффициент механизации контроля и настройки
где Nмкн - число операций контроля и настройки, которые можно осуществить механизированным или автоматизированным способом; Nкн - общее число операций контроля и настройки. В число указанных операций включаются операции, не требующие средств механизации.
5. Коэффициент повторяемости ЭРЭ
где Nт эрэ - число типов ЭРЭ, шт. ; Nэрэ - общее число ЭРЭ, шт.
6. Коэффициент применяемости ЭРЭ для электронного блока
где Nтор эрэ - число типоразмеров оригинальных ЭРЭ в изделии; Nт эрэ - общее число типоразмеров ЭРЭ в изделии.
7. Коэффициент прогрессивности формообразования деталей
где Nпр - число деталей (шт.), заготовки которых или сами детали получены прогрессивным методом формообразования (штамповкой, прессованием, порошковой металлургией и т.д.); Nо - общее число деталей в изделии, шт.
8. Таблица показателей технологичности
Таблица 2.1.1
№ п/пПоказатель технологичности φi K i φi 1Кисп сх 1,002Кам 1,003Кмп эрэ 0,754Кмкн 0,505Кпов эрэ 0,316Кп эрэ 0,1877Кф 0,11ИТОГО 9. Комплексный показатель технологичности конструкции определяется на основе базовых показателей по формуле
где Кi - показатель технологичности, рассчитанный для электронного и радиотехнического блоков; φi - функция, нормирующая весовую значимость показателя в зависимости от его порядкового номера в таблице.
10. Уровень технологичности оценивают сравнением комплексного показателя Кк с нормативным Кн = 0,5-0,8. Отношение должно удовлетворять условию Кк ≥ Кн.
Задание для самостоятельной работы
1. Варианты задания указываются преподавателем.
2. Для электронного блока подсчитать количество микросхем Nсх, общее число Nэрэ, число монтажных соединений Nм, число типов ЭРЭ Nт эрэ, число типов оригинальных ЭРЭ Nто рэрэ, общее число деталей Nо. 3. Согласно формулам, приведенным выше, произвести расчеты коэффициентов. 4. Данные расчетов, а также произведения Кiφi занести в таблицы. Для электронного блока заполняется табл. 2.1.1, где нормативный показатель технологичности соответственно Кн = 0,5-0,8.
5. Подсчитать комплексный показатель технологичности изделия.
6. Подсчитать уровень технологичности по формуле.
7. Сделать выводы о технологичности блока.
8. Сделать выводы и предложения о повышении технологичности блока.
Отчет о проделанной работе
Отчет должен содержать: 1. Таблицу расчета показателей технологичности электронного или радиотехнического блока.
2. Расчет комплексного показателя и уровня технологичности.
3. Выводы и предложения о повышении технологичности.
Контрольные вопросы
1. Как количественно оценивается технологичность изделия?
2. Какими основными показателями оценивается технологичность изделия?
3. Как определяется комплексный показатель технологичности изделия?
4. Какие показатели оказывают наибольшее влияние на технологичность изделия?
5. Дать определение уровню технологичности изделия.
2.2. Разработка технологического процесса изготовления печатной платы
Методы изготовления печатных плат
Методы изготовления печатных плат (ПП) разделяют на две группы (рис. 2.2.1): субтрактивные и аддитивные. В субтрактивных методах (subtratio - отнимание) в качестве основания для печатного монтажа используют фольгированные диэлектрики, на которых формируется проводящий рисунок путем удаления фольги с непроводящих участков. Дополнительная химико-гальваническая металлизация монтажных отверстий привела к созданию комбинированных методов изготовления ПП. В таблице 2.2.1 приведено содержание типового технологического процесса изготовления ПП комбинированным позитивным методом.
Рис. 2.2.1. Классификация методов изготовления печатных плат
Аддитивные (additio - прибавление) методы основаны на избирательном осаждении токопроводящего покрытия на диэлектрическое основание, на которое предварительно может наноситься слой клеевой композиции. По сравнению с субтрактивными они обладают следующими преимуществами: 1) однородностью структуры, так как проводники и металлизация отверстий получаются в едином химико-гальваническом процессе; 2) устраняют подтравливание элементов печатного монтажа; 3) улучшают равномерность толщины металлизированного слоя в отверстиях; 4) повышают плотность печатного монтажа (ширина проводников составляет 0,13 - 0,15 мм); 5) упрощают ТП из-за устранения ряда операций (нанесения защитного покрытия, травления); 6) экономят медь, химикаты для травления и затраты на нейтрализацию сточных вод; 7) уменьшают длительность производственного цикла.
Несмотря на описанные преимущества, применение аддитивного метода в массовом производстве ПП ограничено низкой производительностью процесса химической металлизации, интенсивным воздействием электролитов на диэлектрик, трудностью получения металлических покрытий с хорошей адгезией. Доминирующей в этих условиях является субтрактивная технология, особенно с переходом на фольгированные диэлектрики с тонкомерной фольгой (5 и 18 мкм).
По способу создания токопроводящего покрытия аддитивные методы разделяются на химические химико-гальванические. При химическом процессе на каталитически активных участках поверхности происходит химическое восстановление ионов металла для обеспечения толщины покрытия в отверстиях не менее 25 мкм. В разработанных растворах скорость осаждения меди составляет 2 - 4 мкм/ч, и для получения необходимой толщины процесс продолжается длительное время. Более производительным является химико-гальванический метод, при котором химическим способом выращивают тонкий (1 - 5 мкм) слой по всей поверхности платы, а затем его усиливают избирательно электролитическим осаждением. Предварительная химическая металлизация обеспечивает электрическое соединение всех элементов печатного монтажа.
Разновидностью аддитивных методов является фотоформирование проводящего рисунка схемы, при котором из процесса исключается фоторезист. На поверхность заготовки наносится состав, содержащий ионы металла (меди, палладия), которые восстанавливаются под действием ультрафиолетового облучения через фотошаблон и инициируют последующее формирование толстослойной металлизации. Осажденный слой обладает хорошей адгезией к диэлектрику, а полученные проводники имеют ширину 0,08 - 0,1 мм.
Основными методами, применяемыми в промышленности для создания рисунка печатного монтажа, являются офсетная печать, сеткография и фотопечать. Выбор метода определяется конструкцией ПП, требуемой точностью и плотностью монтажа, производительностью оборудования и экономичностью процесса.
Метод офсетной печати состоит в изготовлении печатной формы, на поверхности которой формируется рисунок слоя. Форма закатывается валиком трафаретной краской, а затем офсетный цилиндр переносит краску с формы на подготовленную поверхность основания ПП. Метод применим в условиях массового и крупносерийного производства с минимальной шириной проводников и зазоров между ними 0,3 - 0,5 мм (платы 1 и 2 классов плотности монтажа) и с точностью воспроизведения изображения ±0,2 мм. Его недостатками являются: высокая стоимость оборудования, необходимость использования квалифицированного обслуживающего персонала и трудность изменения рисунка платы.
Сеткографический метод основан на нанесении специальной краски на плату путем продавливания ее резиновой лопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет, на котором необходимый рисунок образован ячейками сетки, открытыми для продавливания. Метод обеспечивает высокую производительность и экономичен в условиях массового производства. Точность и плотность монтажа аналогичны предыдущему методу. Самой высокой точностью (±0,05 мм) и плотностью монтажа, соответствующими 3-5 классу (ширина проводников и зазоров между ними 0,1-0,25 мм), характеризуется метод фотопечати. Он состоит в контактном копировании рисунка печатного монтажа с фотошаблона на основание, покрытое светочувствительным слоем (фоторезистом).
Односторонние ПП изготавливают преимущественно субтрактивным сеточно-химическим или аддитивным методом, а ДПП - химико-гальваническим аддитивным или комбинированными фотохимическими (негативным или позитивным) методами.
Таблица 2.2.1
Содержание типового технологического процесса изготовления ПП
комбинированным позитивным методом
А01Резка заготовокБ01Роликовые ножницыМ01Стеклотекстолит СФ-2-35 ГОСТ 10316-78Е, халат х/б ТУ17-543-70, перчатки х/б ГОСТ 1108-74О01 1Резать заготовки по размеру согласно КТМ и наряду2 Снять заусенцы3Контролировать размер заготовок. Контроль рабочийР01Скорость движения режущего инструмента 5м/минТ01Штангенциркуль, линейка измерительная металлическая, напильник А02Пробивка базовых отверстийБ02Станок сверлильный С-106М02Заготовки, сверла твердосплавные ВК-3М, ВК-6М , халат х/б ТУ 17-543-70О02 1Собрать в кондукторе заготовки и шаблоны, закрепить и просверлить базовые отверстия на станке2Контролировать диаметр базовых отверстий. Контроль рабочийР02Скорость вращения сверла 15 000-20 000 об/мин, скорость подачи сверла 5-10 мм/минТ02Кондуктор чертежный СММ0019-01, штангенциркуль, очки защитные ГОСТ 12.4.003-76А03Подготовка поверхности заготовокБ02Заготовки, стол монтажный СМ-3, шкаф вытяжной 1Ш-НЖ ТУ 95.7028-73
Продолжение табл. 2.2.1
М03Заготовки, кислота соляная ГОСТ 3118-67 - 50 г/л, вода холодная проточная , известь венская ТУ 2.101-95-67, кислота соляная ГОСТ 3118-67, вода дистиллированная ГОСТ 6709-72, воздух сжатый очищенный, халат кислотостойкий ГОСТ 12.4.015-76, перчатки резиновые, перчатки хирургические ГОСТ 12.4.029-76 , фартук прорезиненныйО03 1Декапировать заготовки в растворе 5% -ной соляной кислоты 2Промыть платы в холодной водопроводной воде3Зачистить заготовку венской известью (обезжирить)4Промыть платы в холодной проточной воде5Декапировать заготовки в растворе 5% -ной соляной кислоты6Промыть платы в холодной проточной воде7Промыть заготовки в дистиллированной воде8Сушить плату сжатым воздухом9Контролировать качество зачистки поверхности фольги. Контроль рабочийР03T1=180-250 C, t1=15 сек, T2=180-250 C, t2=2-3 мин, T3=180-250 C, t3=2-3 мин, T4=180-250 C, t4=2-3 мин, T5=180-250 C, t5=1-3 сек, T6=20(20 C, t6=1-2 мин, T7=20(20 C, t7=1-2 мин, T8=180-250 CТ03Ванна с бортовым отсосом винипластовая, ванна с душем, доска деревянная, щетка, ванна винипластовая промывная А04Нанесение сухого пленочного фоторезиста СПФ-2Б04Термошкаф КП 4506, ламинатор КП 63.46.4, установка экспонирования КП 6341, установка проявления АРС-2.950.000, микроскоп МБС-2М04Заготовки, сухой пленочный фоторезист СПФ-2 ТУ 6-17-271.П-75, метил хлороформ ТУ 6-01-828-73, вода холодная проточная, вода дистиллированная ГОСТ 6709-72, марля ГОСТ 9412-67, кислота серная ГОСТ 4204-66 - 200 г/л, нитроэмаль НЦ-25 ГОСТ 5406-73, ацетон ГОСТ 011340, бязь ГОСТ 11680-79, миткаль ГОСТ 9838, сухой сжатый воздух, халат х/б ТУ 17-543-70, перчатки хирургические ГОСТ 12.4.003-76, перчатки из латекса, перчатки х/б ГОСТ 1108-74, фартук прорезиненныйО04 1Выдержать заготовку в сушильном шкафу2Нанести фоторезист на заготовку (последовательно на обе стороны)3Обрезать ножницами излишки по краям платы4Освободить базовые отверстия от фоторезиста5Выдержать заготовки при неактиничном освещении6Собрать пакет из фотошаблона и платы7Экспонирование заготовки8Выдержать заготовки при неактиничном освещении9Проявить рисунок10Промыть платы проточной холодной водой11Декапировать платы в растворе 20% серной кислоты12Промыть платы холодной проточной водой13Сушить платы сжатым воздухом14Контролировать проявленный рисунок. Контроль рабочийР04Т1=75(50 С, t1=1 час, Т5=20(20 С, t2=30 мин, Т8=18(20 С, t8=30 мин, Т11=20(20 С, t11=1-2 мин, Т12=20(20 С, t12=1 мин, Т13=20(20 С, t13=1-2 мин, Т14=18(20 С
Продолжение табл. 2.2.1
Т04Ножницы, штатив цеховой, скальпель, фиксаторы, шаблон цеховой, кювета из нержавеющей стали цеховая, кювета металлическая цеховая, марлевый тампон, ванна с душем А05Нанесение защитного лакаБ06Стол монтажный СМ-3, термошкаф КП 4506, микроскоп МБС-2 ГОСТ 8074-56М06Заготовки, лак СБ-1с, халат х/б ТУ17-543-70, перчатки хирургические ГОСТ 1108-74О06 1Нанести слой лака на поверхность платы окунанием платы в кювету с лаком2Сушить плату в термошкафуР06Т1=18-250 С, t1=2-3 сек, Т2=1200 С, t2=1,5 часаТ06Кювета из нержавеющей сталиА06Сверловка платБ06Шкаф вытяжной 1Ш-НЖ, станок сверлильный КД-10, стол монтажный СМ-3, микроскоп МБС-9 ГОСТ 8074-56М06Заготовки, раствор очистителя (кислота ортофосфорная ГОСТ 10678-76 - 600 мл, азотная кислота ГОСТ 4461-67 - 100 мл, серная кислота ГОСТ 4204-66 - 20 мл, тринатрий фосфат ГОСТ 201-76 - 30 г, вода до 1 л), аммиак водный 10% ГОСТ 3760-64, спирт этиловый ГОСТ 18300-72, бензин ГОСТ 1012-72, миткаль ГОСТ 9838, бязь ГОСТ 11680-79, оргстекло, вода проточная холодная, сухой сжатый воздух, халат х/б ТУ 17-543-70, перчатки хирургические ГОСТ 12.4.029-76О06 1Зачистить плату в растворе очистителя2Промыть платы в холодной проточной воде3Промыть платы в растворе 10%-ного аммиака4Промыть платы в холодной проточной воде5Подготовить станок КД-10 к работе согласно инструкции по эксплуатации6Проверить заточку сверл7Установить в цанге сверло, выверить его по шаблону. Закрепить цангу в шпинделе станка8Обезжирить сверло спиртобензиновой смесью9Выставить режимы резания с помощью регулятора напряжения10Собрать пакет из трех плат и фотошаблона. Скрепить фиксаторами. На пакет произвольно накладывается оргстекло11Включить станок, сверлить отверстия согласно чертежу12Удалить стружку и пыль с платы13Продуть отверстия сжатым воздухом14Проверить количество отверстий и их диаметры согласно чертежу, проверить качество сверловки. Контроль рабочийР06Т06Ванночка винипластовая цеховая, очки защитные ГОСТ 12.4.003-76, ванна с душем , цанга , сверла твердосплавные ВК-3М, ВК-6М, шаблон, спецключи, фотошаблон, фиксаторы А07Химическое меднениеБ07Шкаф вытяжной 1Ш-НЖ, стол монтажный СМ-3, микроскоп МБС-2 ГОСТ 8074-56
Продолжение табл. 2.2.1
М07Заготовки, бязь ГОСТ 11680-65, тринатрий фосфат ГОСТ 201-76 - 30 г/л, сода кальцинированная ГОСТ 5100-73 - 30 г/л, моющее средство "Синтанол", вода дистиллированная ГОСТ 6709-72, кислота соляная ГОСТ 3118 - 100 мл/л, палладий хлористый ТУ 6-09-2704-73 - 1 г/л, кислота соляная ГОСТ 3118-67 - 180 г/л, олово двухлористое ГОСТ 36-68 - 44 г/л, натрий хлористый ГОСТ 4233-66 (или калий хлористый ГОСТ 4234-69) - 150 г/л, гидроокись натрия - 20 г/л, ортофосфорная кислота ГОСТ 10678-76 - 1000 мл, этиленгликоль - 600 мл, медь сернокислая ГОСТ 4165-68 - 35 г/л, натрия гидрат окиси - 40-45 г/л, никель хлористый ГОСТ 4038-74 - 4-5 г/л, калий-натрий вино-кислый ГОСТ 5845-70 - 180 г/л, углекислый натрий ГОСТ 4201-66 - 30-35 г/л, спирт этиловый ГОСТ 18300-72 - 10 мл/л, формалин ГОСТ 16-25-75 - 10 мл/л, тиосульфат натрия - 1-2 мл/л, вода проточная холодная вода проточная горячая, халат кислотостойкий ГОСТ 12.4.015-76, перчатки хирургические ГОСТ 12.4.029-76, халат х/б ТУ 17.543-70, перчатки х/б ГОСТ 1108-74О07 1Обезжирить платы2Промыть платы горячей проточной водой3Промыть платы холодной проточной водой4Декапировать торцы контактных площадок5Промыть платы холодной проточной водой6Промыть платы в дистиллированной воде7Активировать в совмещенном растворе8Промыть платы в ванне-сборнике9Промыть платы в холодной проточной воде10Обработать в растворе ускорителя11Промыть в холодной проточной воде12Произвести операцию электрополировки с целью снятия металлического палладия с поверхности платы13Промыть горячей водопроводной водой14Протереть поверхность платы бязевым тампоном15Промыть холодной проточной водой16Произвести визуальный контроль электрополировки17Произвести операцию химмеднения18Промыть в холодной проточной воде19Контроль покрытия в отверстиях. Контроль рабочийР07Т07Ванна из нержавеющей стали с подогревом, механизм покачивания, приспособление для завешивания плат, ванна с душем, ванна винипластовая с бортовым отсосом, крючки или подвески, ванна винипластовая, ванна винипластовая для электрополировки с бортовым отсосом, медные аноды М-1 в хлориновых мешках ГОСТ 767-70А08Снятие защитного лакаБ08Стол монтажный СМ-3М03Заготовки, растворитель 386, холодная проточная водаО08 1Замочить платы в растворителе2Снять защитный лак беличьей кистью3Промыть платы в холодной проточной воде4Контролировать качество снятия защитного лака. Контроль рабочийПродолжение табл. 2.2.1
Р08А09Гальваническая затяжкаБ09Источник питания Б5-20, микроскоп МБС-2М09Заготовки, кислота соляная ГОСТ3118-67 - 50 г/л, известь венская ТУ 2101-95-61, кислота соляная ГОСТ 3118-67 - 50 г/л, медь борофтористо-водородная ТУ 6-09-3964-75 - 230-250 г/л, кислота борофтористо-водородная (свободная) ТУ 6-09-2577-75 - 5-15 г/л, кислота борная (свободная) ГОСТ 96586-75 - 15-40 г/л, медь металлическая - 60-80 г/л, воздух сжатый очищенный, вода холодная проточная, вода дистиллированная, сухой сжатый воздух, халат кислотостойкий ГОСТ 12.4.015-76, перчатки резиновые, перчатки хирургические ГОСТ 12.4.029-76, фартук прорезиненный, халат х/б ТУ 17.543-70, перчатки х/б ГОСТ 1108-74О09 1Декапировать платы в растворе 5%-ной соляной кислоты 2Промыть платы в холодной проточной воде3Зачистить плату венской известью (обезжирить)4Промыть плату в холодной проточной воде5Декапировать платы в растворе 5%-ной соляной кислоты6Промыть платы в холодной проточной воде7Промыть платы в дистиллированной воде8Произвести гальваническую затяжку9Промыть проточной водопроводной водой10Сушить плату сжатым воздухом11Контролировать качество гальванической затяжки. Контроль рабочийР09Т09Ванна с бортовым отсосом, ванна с душем, доска деревянная, щетка, ванна винипластовая промывная, ванна гальванического меднения, аноды М-1 в мешках из хлорина ГОСТ 767-70, подвески, барашкиА10Электролитическое меднение и нанесение защитного покрытия ПОС-61Б10Микроскоп МБС-2, источник питания Б5-20, шкаф вытяжной 1Ш-НЖ, стол монтажный СМ-3М10Заготовки, краска НЦ-25 ГОСТ 5406-73, кислота соляная ГОСТ 3118-67 - 100г, известь венская ТУ 2101-95-67, медь борофтористо-водородная ТУ 6-09-3964-75 - 230-250 г/л, кислота борофтористо-водородная (свободная) ТУ 6-09-2577-75 - 5-15 г/л, кислота борная (свободная) ГОСТ 9656-75 - 15-40 г/л, олово металлическое ГОСТ46-68 - 30-60 г/л, кислота борофтористо-водородная (свободная) ТУ 6-09-3964-75 - 45-75 г/л, кислота борная (свободная) ГОСТ 9656-75 - 20-40г/л, клей мездровый ГОСТ 3252-75 - 3-5 г/л, нафтохинондисульфоновая кислота - 1,5 г/л, аммиак 25% ГОСТ 3760-64 - 75 мл/л, свинец металлический ТУ 6-09-3523-74- 25-35 г/л, гидрохинон - 1 г/л, воздух сухой, сжатый, очищенный, ацетон ГОСТ 011340, бязь ГОСТ 11680-79, миткаль ГОСТ 9838, вода холодная проточная, вода горячая проточная, вода дистиллированная ГОСТ 6709-72, халат х/б ТУ 17.543-70, халат кислотостойкий ГОСТ 12.4.015-76, перчатки хирургические ГОСТ 12.4.029-76, фартук прорезиненныйО10 1Ретушь под микроскопом2Декапировать платы в растворе 5%-ной соляной кислоты3Промыть платы холодной водопроводной водойПродолжение табл. 2.2.1
4Зачистить плату венской известью (обезжирить)5Промыть холодной водопроводной водой6Декапировать платы в растворе 5%-ной соляной кислоты7Промыть холодной водопроводной водой8Промыть в ванне-сборнике9Произвести гальваническое меднение10Промыть проточной водопроводной водой11Произвести визуальный контроль покрытия12Промыть дистиллированной водой13Произвести гальваническое покрытие олово-свинец. Промыть платы в ванне-сборнике14Промыть горячей проточной водой15Промыть холодной проточной водой16Сушить сжатым воздухом17Удалить ретушь с поля платы18Произвести контроль покрытия. Контроль рабочийР10Т10Штатив, кисть беличья № 0,1, ванна винипластовая с бортовым отсосом, ванна с душем, деревянная доска, щетка, ванна винипластовая, ванна гальванического меднения, подвески, медные аноды М-1 в хлориновых мешках ГОСТ 767-70, ванна-сборник винипластовая, ванна гальванического покрытия олово-свинец, барашки, аноды из ПОС-61 в мешках из хлорина, ванна-сборник с бортовым отсосомА11Снятие фоторезистаБ11Установка АРС-2.950.000М11Платы, хлористый метилен ТУ 6-09-3716-74, вода холодная проточная, халат кислотостойкий ГОСТ 12.4.015-76, перчатки двойные латексные, фартук прорезиненныйО11 1Снять фоторезист в установке снятия фоторезиста2Промыть платы в холодной проточной водеР11Т11=18-250 С, t1=5-10 мин, Т2=18-250 С, t2=2-5 минА12Травление печатных платБ12микроскоп МБС-2 ГОСТ 8074-56, шкаф вытяжной 1Ш-НЖ, М12Заготовки, хлористый метилен ТУ 6-09-3716-74, краска НЦ-25 белая ГОСТ 5406-73, аммоний надсернокислый ГОСТ 20478-75 - 100 г/л, аммиак 25% ГОСТ 3760-64 - 250-270 г/л, глицерин ГОСТ 6259-75 - 3 г/л, аммиак 25% ГОСТ 3760-64 - 50 г/л, вода проточная холодная, вода проточная горячая, халат кислотостойкий ГОСТ 12.4.015-76, перчатки латексные двойные, фартук прорезиненный, халат х/б ТУ 17.543-70, перчатки резиновые, перчатки хирургические ГОСТ 12.4.029-76О12 12Высушить платы на воздухе3Произвести ретушь рисунка4Травить платы в установках травления с барботажем5Промыть платы в 5%-ном растворе водного аммиака6Промыть платы в проточной горячей воде7Промыть платы холодной проточной водойПродолжение табл. 2.2.1
8Сушить платы на воздухе9Контролировать качество травления. Контроль рабочийР12Т12Кисть беличья, ванна из нержавеющей стали с подогревом, подвески из нержавеющей стали, ванна с душемА13Осветление печатных платБ13Шкаф вытяжной 1Ш-НЖМ13Платы, олово двухлористое ГОСТ 36-68 - 15-20 г, кислота соляная ГОСТ 3118-67 - 17 мл, тиомочевина ГОСТ 6344-73 - 50-90 г, вода горячая проточная, вода холодная проточная, вода дистиллированная ГОСТ 6709-72, перчатки резиновые, халат кислотостойкий ГОСТ 12.4.015-76, фартук прорезиненный, халат х/б ТУ 17.543-70, перчатки хирургические ГОСТ 1108-74О12 1Осветлить покрытие олово-свинец в растворе осветления2Промыть платы в горячей проточной воде3Промыть платы в холодной проточной воде4Промыть платы в дистиллированной водеР13Т13Ванна из нержавеющей стали, плитка электрическая ЭПШ-1-0,8/220 ГОСТ 306--76, очки защитные ГОСТ 12.4.003-76, ванна с душем, ванна винипластовая, щетка.А14Оплавление печатных платБ14Шкаф сушильный КП 4506, конвейерная установка инфракрасного оплавления ПР-3796, микроскоп МБС-1М14Платы, флюс ВФ-130, полиэтиленгликоль ПЭС-115 - 100 г/л, лапромол 294 - 50 г/л, кислота лимонная - 100 г/л, спирт этиловый технический ГОСТ 18300-87 - 875 мл, вода проточная холодная, вода дистиллированная ГОСТ 6709-72, перчатки резиновые, халат х/б ТУ 17.543-70О14 1Сушить платы2Флюсовать платы3Выдержать платы перед оплавлением в сушильном шкафу в вертикальном положении4 Подготовить установку оплавления к работе5Установить скорость конвейера по вольтметру:
- для плат толщиной до 1,5 мм
- для плат толщиной от 1,5 до 2 мм6Загрузить плату на конвейер установки7Оплавить плату8Следить за платой, сошедшей с конвейера в кювету с горячей водой9Промыть плату от остатков флюса горячей водой10Промыть плату холодной проточной водой11Промыть плату дистиллированной водой12Сушить платыОкончание табл. 2.2.1
13Контролировать качество оплавления на поверхности проводников и в отверстияхР14Т14Штатив, ванна винипластовая, кисть, кассета для сушки плат, кювета винипластовая, душевое устройство, щетка волосянаяА15Механическая обработкаБ15Дисковые ножницы, станок для снятия фасок, шкаф сушильный КП 4506, микроскоп МБС-2 ГОСТ 8074-56М15Платы, порошок "Лотос", вода горячая проточная, вода дистиллированная ГОСТ 6709-72, халат х/б ТУ 17.543-70, перчатки хирургические ГОСТ 12.4.029-76, халат кислотостойкий ГОСТ 12.4.015-76, фартук прорезиненный, перчатки х/б ГОСТ 1108-74О15 1Обрезка плат по контуру2Снять фаски3Промыть платы в горячей воде со стирально-моющим средством "Лотос"4Промыть платы в дистиллированной воде5Сушить платы6Контролировать печатные платы на отслаивание проводников визуально. Контроль рабочийР15Т15Ванна с душем, винипластовая ванна, халат х/б, кювета винипластовая, щетка волосяная, штатив, скальпель
Механическая обработка печатных плат
Фольгированные диэлектрики выпускаются размерами 1000-1200 мм, поэтому первой операцией практически любого технологического процесса является резка заготовок. Размеры заготовок определяются требованиями чертежа и наличием по всему периметру технологического поля, на котором выполняются фиксирующие отверстия для базирования деталей в процессе изготовления.
Выбор метода получения заготовок определяется типом производства. В крупносерийном и массовом производстве раскрой листового материала осуществляется штамповкой на кривошипных или эксцентриковых прессах с одновременной пробивкой фиксирующих отверстий на технологическом поле.
Заготовки ПП в единичном и мелкосерийном производстве получают разрезкой на одно- и многоножевых роликовых или гильотинных ножницах. Применяемые ножи должны быть установлены параллельно друг другу с минимальным зазором 0,01 - 0,03 мм по всей длине реза. На одноножевых роликовых ножницах можно получить заготовки размером от 50х50 до 500х900 мм при толщине материала 0,025-3 мм. Скорость резания плавно регулируется в пределах 2-13,5 м/мин. Точность резания (1,0 мм. Для удаления пыли, образующейся при резании заготовки, ножницы оборудованы пылесосом. Во избежание повреждения рук во время технологического процесса заусенцы с торцов заготовки снимаются напильником. Качество снятия заусенцев определяется визуально.
Резка заготовок не должна вызывать расслаивания диэлектрического основания, образования трещин, сколов, а также царапин на поверхности заготовок.
Фиксирующие отверстия диаметром 4 - 6 мм выполняют штамповкой или сверлением с высокой точностью (0,01 - 0,05 мм). Для сверления используют универсальные станки, в которых точность достигается применением кондукторов, или специальное полуавтоматическое оборудование, которое в одном цикле с обработкой пакета заготовок предусматривает пневматическую установку штифтов, фиксирующих пакет. Резание ведут спиральными сверлами из быстрорежущей стали или твердых сплавов при скорости 30 - 50 м/мин и подаче 0,03 - 0,07 мм/об. Биение сверла при обработке не должно превышать 0,03 мм. Повышение точности сверления фиксирующих отверстий достигается их развертыванием при скорости 10 - 30 м/мин и ручной подаче инструмента.
Монтажные и переходные отверстия получают также штамповкой и сверлением. Пробивку отверстий на универсальных или специальных штампах применяют в тех случаях, когда отверстие в дальнейшем не подвергается металлизации и его диаметр не менее 1 мм. Правильный выбор зазоров между рабочими частями штампа, их размеров и геометрии, а также усилий при штамповке позволяет свести к минимуму образование трещин на материале и расслоений. При пробивке отверстий в односторонних фольгированных диэлектриках применяют штампы с увеличенным двусторонним зазором между пуансоном и матрицей, обеспечивающим затягивание фольги в отверстие, чем достигается его частичная металлизация. Максимальная глубина затягивания фольги в отверстия диаметром 1 - 1,3 мм достигается при технологическом зазоре 0,4+0,2 мм. В этом случае диэлектрик со стороны фольги укладывается к плоскости пуансонов, а удельное усилие прижима увеличивается в два раза по сравнению с обычным вариантом. Если плата имеет высокую плотность монтажа, большое количество отверстий и малый шаг координатной сетки, то применяют последовательную пробивку на нескольких штампах. Применение универсальных штампов, в которых необходимое количество отдельных пуансонов набирается в специальном трафарете, делает процесс штамповки экономичным в условиях мелкосерийного производства.
Металлизированные монтажные и переходные отверстия обрабатывают с высокой точностью на специализированных одно- и многошпиндельных сверлильных станках с ЧПУ. Эти станки имеют координатный стол с автоматической системой позиционирования, сверлильные шпиндели с бесступенчатым регулированием скорости и систему ЧПУ позиционного типа. Повышение производительности при сверлении достигается увеличением числа оборотов шпинделя и количества синхронно работающих сверлильных шпинделей, групповой обработкой пакета заготовок, автоматической сменой сверл по ходу технологического процесса и при их поломке, выбором оптимальной траектории движения платы по отношению к инструменту. Оптимальная частота вращения шпинделя составляет 45000 - 120000 мин-1, скорость резания 25 - 50 м/мин при числе двойных ходов до 200 в минуту. Это предъявляет повышенные требования к жесткости конструкции, уровню температурных деформаций, износостойкости узлов трения. Для обработки металлизированных отверстий используются специальные спиральные сверла из металлокерамических твердых сплавов ВК6М или ВК8М. Их стойкость при обработке фольгированных стеклотекстолитов составляет 3000 - 7000 тыс. отверстий, при наличии лакового покрытия на ПП стойкость инструмента уменьшается в 2-3 раза. Чистовой контур ПП получают штамповкой, отрезкой на гильотинных ножницах или на специальных станках с прецизионными алмазными пилами, фрезерованием. Повышение производительности фрезерных работ достигается групповой обработкой пакета ПП толщиной 10 - 30 мм. Для исключения повреждения их поверхностей между отдельными заготовками прокладывают картон, а пакет помещают между прокладками из листового гетинакса.
Металлизация печатных плат
Формирование токопроводящих элементов ПП осуществляется двумя основными методами: химическим и электрохимическим. Химическая металлизация используется в качестве основного слоя при изготовлении плат аддитивным методом или как подслой перед гальваническим осаждением в комбинированных методах.
Процесс химической металлизации основан на окислительно-восстановительной реакции ионов металла из его комплексной соли в определенной среде, при которой необходимые для восстановления катионов металла электроны получают в результате окисления специальных веществ, называемых восстановителями. На диэлектрике реакция восстановления протекает при наличии на его поверхности каталитически активного слоя. Для придания диэлектрику способности к металлизации производят операции сенсибилизации и активирования.
Сенсибилизация - это процесс создания на поверхности диэлектрика пленки ионов двухвалентного олова, которые впоследствии обеспечат восстановление ионов активатора металлизации. Платы обрабатывают в растворе двуххлористого олова и соляной кислоты (SnCl2 - 5-10 г/л, НС1 - 20-40 г/л, остальное - дистиллированная вода) в течение 5 - 7 мин и промывают в холодной воде. При этом происходит гидролиз хлористого олова по реакции
SnCl2 + H2О  Sn(OH)Cl + HCl,
Sn (ОН)С1 + H2О  Sn(ОН)2 + HCl. Активирование заключается в том, что на поверхности, сенсибилизированной двухвалентным оловом, происходит реакция восстановления ионов каталитического металла. Обработку проводят в растворах благородных металлов, преимущественно палладия (PdCl2- 0,5-4 г/л, НС1 - 10-20 мл/л, остальное - дистиллированная вода) в течение 5 мин. На плате происходят следующие реакции:
на диэлектрике
Sn2+ + Pd2+  Pd + Sn4+;
на поверхности фольги
Cu + Pd2+  Pd + Cu2+ .
Контактное выделение палладия на меди приводит к образованию барьерного слоя из рыхлой и непрочной пленки гидридов палладия, которая снижает адгезионные свойства химически осажденной меди и увеличивает переходное сопротивление. Для улучшения качества металлизации используют совмещенный раствор, в котором контактное выделение палладия существенно уменьшается. Совмещенный раствор имеет следующий состав (г/л): PdCl2 - 0,8-1; SnCl2·2H2O- 40-70; КС1- 140-150; НС1- 150-200.
Разбавленные растворы характеризуются более высокой стабильностью, чем концентрированные, но в них выделение меди происходит с низкой скоростью. Для облегчения удаления водорода, выделяющегося в процессе меднения, в растворы вводят поверхностно-активные вещества (моющее средство "Прогресс"), а процесс ведется с плавным покачиванием плат (8-10 колеб./мин при амплитуде 50-100 мм).
Как видно, основными проблемами химической металлизации являются низкая производительность, сложность процесса, использование дорогостоящих материалов. Для устранения указанных недостатков разрабатываются методы беспалладиевой металлизации, например термохимический. Процесс проводится в растворе (г/л): кальций фосфорноватисто-кислый -130-170, медь сернокислая пятиводная - 200-250, гипофосфат аммония - 6-10, аммиак (25%) - 200-300 мл/л. После обработки платы выдерживаются в термошкафу при 100 - 150 °С в течение 8-10 мин. В результате термического разложения комплексной соли гипофосфита меди на поверхности ПП и в монтажных отверстиях образуется электропроводящее покрытие, которое служит основой для электрохимического наращивания металла.
Гальваническая металлизация при производстве ПП применяется для усиления слоя химической меди, нанесения металлического резиста, например олово - свинец толщиной 8-20 мкм, с целью предохранения проводящего рисунка при травлении плат, защиты его от коррозии и обеспечения хорошей паяемости; создания на части проводящего рисунка (например, на концевых печатных контактах) специальных покрытий (палладий, золото, родий и т. п.) толщиной 2-5 мкм. Заготовки плат, закрепленные на специальных подвесках-токоподводах, помещают в гальваническую ванну с электролитом между анодами, выполненными из металла покрытия. Режим электрохимической металлизации выбирают таким образом, чтобы при высокой производительности были обеспечены равномерность толщины покрытия и его адгезия.
Равномерность толщины осажденных слоев зависит: 1) от габаритных размеров металлизируемых плат (с их увеличением равномерность покрытий снижается, что может быть частично скомпенсировано увеличением расстояния между анодами, а также подбором их положения в пределах гальванической ванны); 2) от диаметров металлизируемых отверстий (отношение диаметров к толщине платы должно быть не менее 1/3); 3) от расположения плат в ванне (для улучшения равномерности платы размещают симметрично и параллельно анодам, площадь которых должна в 2-3 раза превышать площадь металлизации при расстоянии между электродами не менее 150 мм); 4) от рассеивающей способности электролитов; 5) от оптимальной плотности тока (при низких значениях уменьшается толщина покрытия в центре платы, при высоких происходит утолщение покрытия на углах и кромках платы); 6) от наличия специальных экранов между электродами.
Адгезия гальванического покрытия зависит от качества подготовки поверхности под металлизацию, длительности перерыва между подготовкой поверхности и нанесением покрытия, от соблюдения режимов процесса.
Для меднения ПП применяют различные электролиты. Отраслевые стандарты рекомендуют для предварительной металлизации борофтористо-водородный электролит следующего состава (г/л): Cu(BF4)2 - 230-250; HBF4 - 5 - 15; Н3ВО3 - 15 - 40. Процесс ведут при температуре 20±5 °С, плотности тока 3 - 4 А/дм2, скорости осаждения 25 - 30 мкм/ч.
Более пластичные и равномерные осадки получаются в сернокислых электролитах. Для улучшения рассеивающей способности в электролит добавляются блескообразующие и выравнивающие добавки, а процесс ведут непрерывной подачей свежего раствора меднения непосредственно в сквозные отверстия. Сернокислый электролит с блескообразующей добавкой имеет состав (г/л): CuSO4·5H2O- 100-200; H2SO4 - 150-180; NaCl - 0,03-0,06; комплексная добавка - 1-3 мл/л.
Электролитический сплав олово - свинец должен иметь состав, приближающийся к эвтектическому, что обеспечит последующее оплавление при минимальной температуре и хорошую паяемость ПП. Это достигается выбором оптимального режима осаждения и строгим его поддержанием. Содержание олова в осадке возрастает при понижении плотности тока, увеличении количества вводимых добавок, снижении температуры электролита, увеличении олова в электролите и сильном его перемешивании. При осаждении сплава олово-свинец из борофтористо-водородного электролита (г/л): Sn2+ - 13-15; Рb2+ - 8-10; НВF4 - 250-300; Н3ВО3 - 20-30; пептон - 3-5; гидрохинон - 0,8-1; аноды изготавливают из сплава, содержащего 61 % свинца и 39 % олова. Процесс ведут при комнатной температуре, плотности тока 1 - 2 А/дм2 и скорости осаждения 1 мкм/мин.
Повышение объемов производства и требований к качеству ПП, усложнение аппаратуры и ее микроминиатюризация требуют развития перспективных методов электрохимической металлизации и производительного технологического оборудования. Одним из эффективных путей улучшения качества покрытий является использование нестационарных режимов электролиза. Осаждение металла в этом случае проводится под действием периодических токов - импульсного, реверсивного, произвольной формы различной частоты и скважности. Под действием реверсивного тока происходит сглаживание микрорельефа покрытия, повышается его равномерность по поверхности платы и в монтажных отверстиях. Это объясняется тем, что во время прямого импульса происходит осаждение металла, а во время обратного - преимущественное растворение выступающих участков. Одновременно снижаются внутренние напряжения в покрытиях, повышается их пластичность. Увеличение концентрации ионов осаждаемого металла в прикатодном слое позволяет увеличить скорость осаждения.
При импульсном токе измельчается структура покрытия (кристалл растет во время импульса тока и пассивируется во время паузы), уменьшается пористость, повышается электропроводность покрытия вследствие совершенства структуры и уменьшения включаемых в осадок примесей. Формирование рисунка печатных плат
Нанесение рисунка схемы на ПП необходимо для получения защитной маски требуемой конфигурации при осуществлении процессов металлизации и травления. Наиболее распространены в промышленности сеткографический (офсетной печати) и фотохимический методы.
Сеткографический метод получения рисунка ПП основан на применении специальных кислотостойких быстросохнущих красок, которые после продавливания через трафарет закрепляются на поверхности заготовки в результате испарения растворителя.
Основными видами специальных трафаретных красок являются следующие: СТ3.12 - защитные щелочесмываемые; СТЗ.12.51 - защитные щелочесмываемые, быстросохнущие; СТ3.13-защитные гальваностойкие, смываемые органическим растворителем (хлористым метиленом).
Для получения маркированных знаков используются краски серии ТНП (трафаретные невпитывающиеся пентафталевые) и СТ3.19.
Качество наносимого защитного слоя в значительной степени определяется вязкостью используемых трафаретных красок. Ее оптимальная величина устанавливается исходя из температуры, номера сетки, характера изображения, наличия орошения формы и др. При оптимальном значении вязкости краска не должна самопроизвольно растекаться ни по печатной форме, ни по заготовке, но легко и равномерно должна растекаться под воздействием ракеля и продавливаться сквозь отверстия печатающих элементов формы.
Ракель обычно изготавливают из листовой маслобензостойкой резины или полиуретана толщиной около 8 мм и высотой не менее 25 мм. Тщательно отполированная поверхность ракеля обеспечивает высокое качество.
Заготовка в станках трафаретной печати устанавливается с технологическим зазором 2 - 3 мм. Увеличение зазора приводит к повышению четкости рисунка, но одновременно повышается износ сетки. Постепенный отрыв сетки от заготовки в процессе нанесения рисунка уменьшает и его искажение, и износ сетки.
Нанесение защитной краски через сетчатый трафарет осуществляется вручную или автоматическим оборудованием, которое включает загрузочное устройство, машину для рихтовки плат, сеткографический станок, сушильную печь, накопитель готовых изделий.
Загрузка ПП в станок происходит посредством ленточного конвейера подъемно-спускающего типа. Подведенная им заготовка фиксируется в рабочей зоне на штифтах с точностью ±25 мкм и закрепляется при помощи вакуумной системы. Синхронно краскодозирующим устройством краска подается в зону обработку, а ракель автоматически продавливает ее через ячейки трафарета. В системе управления ракелем регулируется угол наклона, скорость движения, давление и диапазон хода. Время, затрачиваемое на один цикл печатания, составляет 5 - 7 с. Смена трафарета и настройка станка на новый тип плат производится по контрольному шаблону. Для этого печатный стол перемещается с точностью ±0,05 мм по двум координатам с помощью микрометрических винтов и поворачивается вокруг вертикальной оси на угол 7 - 10°. Время смены и настройка не превышают 15 мин.
Закрепление краски на заготовке осуществляется длительной сушкой. Проблема сушки в трафаретной печати решается путем создания быстрозакрепляющихся красок и высокопроизводительного оборудования. Краски с органическими растворителями сушат в туннельных конвейерных печах горячим воздухом при температуре 150-80 °С или под действием ИК-излучения. Краски мгновенной сушки, содержащие мономерно-полимерные композиции и фотоинициатор, закрепляются под воздействием ультрафиолетовых лучей. Однако они имеют небольшой срок хранения (в герметичной таре 0,5 г.) и высокую стоимость.
Срок хранения отпечатанных плат в условиях производства составляет 3 - 5 суток. После этого удаление краски становится затруднительным. Снимают трафаретную краску 3 - 5 %-ным раствором горячей (40 - 60°С) щелочи в течение 10 - 20с. Раствор подается на заготовки устройствами струйного типа. Аналогично промываются сетчатые трафареты после работы.
Фотографический метод предусматривает нанесение на подготовленную поверхность заготовки ПП специальных светочувствительных материалов - фоторезистов, которые разделяются на негативные и позитивные. Негативные фоторезисты образуют при воздействии света защитные маски вследствие реакции фотополимеризации, при этом облученные участки остаются на плате, а необлученные удаляются при проявлении. В позитивных фоторезистах под действием света происходит фотодеструкция органических молекул, вследствие чего облученные участки удаляются при проявлении. Фоторезисты могут быть жидкими и сухими (пленочными). Жидкие фоторезисты значительно дешевле пленочных, и для работы с ними требуется несложное оборудование. Применение пленочных фоторезистов значительно упрощает ТП (исключаются операции сушки, дубления, ретуширования), он легко поддается автоматизации, обеспечивает равномерное нанесение защитных слоев при наличии монтажных отверстии.
Среди жидких фоторезистов наибольшее распространение получил светочувствительный материал на основе поливинилового спирта (ПВС). Он нетоксичен, непожароопасен, проявляется подогретой до 40°С водой. В состав фоторезиста входят следующие компоненты: поливиниловый спирт - 70-120 г/л; бихромат калия - 3- 10% сухой массы ПВС; этиловый спирт - 30-50 мл/л; "Некаль" - 2 - 5 г/л; дистиллированная вода - до 1000 мл. Недостатком фоторезистов на основе ПВС является их темновое дубление, что ограничивает срок хранения приготовленного материала и заготовок с нанесенным слоем 3 - 8 ч. Для повышения химической стойкости фоторезиста применяют химическое дубление в растворе хромового ангидрида или термическое дубление.
Холодные эмали обрабатываются без нагрева и представляют собой композиции сополимера метакриловой кислоты, метакрилата и полиэфира ТГМ. Инициатором полимеризации является бензоилформальдегидная смола, для контроля качества рисунка вводится метилвиолет. Такие эмали имеют высокую химическую стойкость, не реагируют на обычный свет.
Позитивные фоторезисты на основе диазосоединений имеют повышенную разрешающую способность, химическую стойкость, в них отсутствует темновое дубление. Примером такого фоторезиста может служить состав: 1,2-нафтахинондиазид (2)-5-сульфоэфир наволока - 3-5 г/л; наволочная смола - 6-10 г/л; ксилол - 70-80 мл/л; монометиловый эфир ацетатгликоля - 20 - 30 мл/л. Его широко применяют для получения тиражеустойчивых сетчатых трафаретов методом прямой печати. Наносят жидкие фоторезисты окунанием, центрифугированием, накаткой валками, разбрызгиванием. При покрытии окунанием заготовки погружаются в кювету с фоторезистом и вытягиваются с постоянной скоростью (10 - 50 см/мин). Толщина слоя определяется вязкостью, скоростью вытягивания и колеблется от 4 до 8 мкм. Способ не требует дорогостоящего оборудования и обеспечивает двустороннее нанесение фоторезиста. Недостатком является неравномерность нанесенного слоя. Применение центрифугирования и накатки валками приводит к повышению равномерности наносимых слоев жидких фоторезистов. Валковые конвейерные установки имеют секции инфракрасной сушки резиста.
Сухие пленочные фоторезисты (СПФ) более технологичны и могут быть использованы на всех операциях получения рисунка схемы. Они представляют собой структуру, состоящую из светочувствительного слоя, который помещается между защитной полиэтиленовой и светопроницаемой лавсановой пленками. Отечественная промышленность выпускает СПФ марок СПФ-2 и СПФ-ВЩ, СПФ-АС-1 толщиной 20, 40 и 60 мкм и защитные СПФЗ толщиной 90, 110, 130 мкм. Тонкие слои СПФ применяют в качестве маски при травлении меди с пробельных мест, средние- для создания рисунка при нанесении слоя металлизации, а толстые - для защиты отверстий с металлизацией при травлении. Фоторезисты наносят на платы валковым методом при нагреве до 105 - 120°С и плотно прикатывают к поверхности заготовки для удаления воздушных включений. Реализующие этот метод установки называются ламинаторами. Они снабжены терморегуляторами, тарированными устройствами прижима подающих валков, устройствами для обеспечения заданного зазора, давления на заготовку и обрезания фоторезиста после нанесения требуемой длины.
Экспонирование предназначено для инициирования фотохимических реакций в фоторезистах. Оно проводится в установках, состоящих из источников света (сканирующих, неподвижных или точечных), работающих в ультрафиолетовой области, рефлекторов и коллиматоров. Для плотного прилегания фотошаблонов к заготовкам плат используют рамы, оснащенные специальными быстродействующими откачными системами для создания вакуума. Охлаждающие устройства обеспечивают температурную стабилизацию фоторезистов и фотошаблонов. Проявление, окрашивание и химическое дубление жидких фоторезистов производят в конвейерных струйных установках модульного типа, оснащенных устройствами подачи растворов с их фильтрацией и регулировкой давления, роликовым конвейером, соединяющим все модули.
Для проявления СПФ используют два вида установок: камерные для мелкосерийного производства и конвейерные для серийного производства. В последних проявитель подается на заготовки встречными потоками, что обеспечивает высокую скорость и равномерность. Камерные установки имеют отсеки проявления, промывки, насос для подачи проявителя под давлением, систему струйной промывки, змеевики охлаждения проявителя проточной водой, таймеры, систему терморегулирования и устройства фильтрации проявителя. Заготовки из одного модуля в другой переносятся вручную или автооператором. Конвейерные установки имеют зоны загрузки, первичного проявления, допроявления и промывки плат. Валковый конвейер непрерывно транспортирует заготовки через все рабочие зоны. Установки оснащены регуляторами скорости конвейера и давления жидкости, системами охлаждения и терморегулирования, основными и вспомогательными насосами фильтрации жидкости и отстойниками промывных вод. После проявления оставшийся фоторезист должен быть твердым, блестящим, сплошным покрытием на поверхности заготовки, с хорошей адгезией к ней, без проколов и других дефектов.
Травление меди с пробельных мест
Травление представляет собой сложный окислительно-восстановительный процесс, который применяют для формирования проводящего рисунка печатного монтажа путем удаления меди с непроводящих (пробельных) участков. Травление выполняют химическим или электрохимическим способом. Для химического процесса разработаны и используются в промышленности многочисленные составы на основе хлорного железа, персульфата аммония, хлорной меди, хромовой кислоты, перекиси водорода, хлорита натрия и др. Выбор травильного раствора определяется следующими факторами: типом применяемого резиста, скоростью травления, величиной бокового подтравливания, сложностью оборудования, возможностью регенерации и экономичностью всех стадий процесса.
Скорость травления меди зависит от состава травителя, концентрации в нем окислителя и условий его доставки в зону обработки, температуры раствора и количества меди, перешедшей в раствор. Ее максимальное значение достигается при поддержании в заданных пределах режима обработки и постоянной регенерации травителя. Скорость травления оказывает существенное влияние на качество формируемых элементов ПП. При малых скоростях время пребывания платы в травителе увеличивается, что приводит к ухудшению диэлектрических свойств оснований и увеличению бокового подтравливания. Оно возникает вследствие того, что травитель воздействует не только на медную поверхность, подлежащую удалению, но и на боковые, не защищенные резистом, стороны проводников и других элементов схемы. В результате этого искажается прямоугольный профиль печатных проводников, уменьшается их токонесущая способность и прочность сцепления с диэлектриком. Величина бокового подтравливания оценивается фактором травления К = S/a, который представляет собой отношение толщины фольги S к величине изменения ширины печатного проводника а. Уменьшают фактор травления введением в используемые растворы специальных добавок: ионы металлов с более низким потенциалом, чем у меди, например Ag, Hg, Pt, Pd, Au, оказывают каталитическое действие на процесс, а органические соединения (мочевина, аминотриазол, амиды и др.), адсорбируясь на боковых поверхностях, ингибируют их растворение. Технологический процесс травления состоит из операций предварительной очистки меди, повышающей равномерность ее удаления, непосредственно удаления меди с пробельных участков платы, очистки поверхности диэлектрика, осветления при необходимости поверхности металлорезиста и сушки.
Наибольшее распространение в технологии производства ПП получили травильные растворы на основе хлорного железа (плотность 1,36 - 1,42 г/см3). Они отличаются высокой и равномерной скоростью травления, малой величиной бокового подтравливания, высокой четкостью получаемых контуров, незначительным содержанием токсичных веществ, экономичностью. Суммарная реакция, протекающая в растворе, описывается уравнением
2FeCl3 + Cu → CuCl2 + 2FeCl2.
Скорость процесса в свежеприготовленном растворе составляет 40 мкм/мин, но по мере накопления в нем ионов меди постепенно снижается и при 100 г/л составляет 5 - 6 мкм/мин. Повышение
температуры и рН травителя относительно оптимальных значений
приводит к образованию илистого осадка (смесь фильтрующейся меди и оксида железа), который адсорбируется поверхностью диэлектрика, с трудом удаляется при промывке и ухудшает изоляционные свойства подложки. Травитель не пригоден для получения плат, покрытых металлорезистами на основе олова. В этом случае рекомендуется применять раствор персульфата аммония. Он на 30 - 40% дешевле хлорного железа, быстро приготавливается на рабочем месте, прозрачен и невязок, не образует шлама при травлении, легко поддается регенерации. Процесс растворения протекает по следующему уравнению:
Cu + (NH4)2S2O8 → CuSO4 + (NH4)2SO4.
Реакция сопровождается выделением тепла, что вызывает необходимость стабилизации температурного режима. Травление приводит к большому боковому подтравливанию медных проводников, сопровождается зубчатостью краев из-за различия скоростей химических реакций по зернам металла и по границам зерен, а раствор склонен к саморазложению.
Стабильными параметрами травления характеризуются растворы на основе хлорной меди. Разработанные кислые и щелочные составы несколько уступают по скорости растворам хлорного железа но намного их дешевле. В них не образуется шлам, ПП легко отмываются после обработки, а боковое подтравливание не превышает 3 - 6 мкм. Растворение меди протекает в соответствии с реакцией
Cu + CuCl2 → 2CuCl2.
Отсутствие в растворе посторонних, способных восстанавливаться катионов позволяет проводить полную регенерацию в непрерывном замкнутом цикле. Повышение производительности процесса
достигается использованием раствора на основе двух окислителей - хлорной меди и хлорного железа.
Травление меди в растворе перекиси водорода проводится в кислой среде с добавлением серной или соляной кислоты. Используемые травители совместимы практически со всеми типами резистов. В сернокислом растворе протекают следующие реакции:
Cu + H2О2 → CuO + H2O;
CuO + H2SO4 → CuSO4 + H2O.
Получаемая CuSO4 является химически чистым веществом, легко извлекается и используется для технических целей. При накоплении 60 - 80 кг/м3 меди раствор истощается и скорость травления
резко падает.
Полезную емкость по меди до 130 кг/м3 имеют соляно-кислые растворы. В них травящей способностью обладают не только исходные компоненты, но и продукты реакции:
Cu + H2O2 → CuO +H2O;
CuO + 2HCl → CuCl2 + H2O;
Cu + CuCl2 → 2CuCl;
2CuCl + H2O2 + 2HCl → 2CuCl2 + 2H2O.
Процесс травления сопровождается точным поддержанием состава ванны и разложением перекиси водорода.
Травильные растворы на основе хромовой кислоты используют для ПП, проводящий рисунок которых защищен Au, Sn-Ni, Sn-Pb. Окисление меди описывается суммарной реакцией
3Cu + 2CrO42- + 16H+→ 2Cr+3 + 3Cu+2 + 8H2O.
По сравнению с описанными выше хромово-кислый травитель имеет низкую скорость растворения меди, малую полезную емкость (35 кг/м3), высокую стоимость и токсичность, трудно регенерируемый. Его применение ограничивается макетными работами.
Щелочные растворы на основе хлоритов характеризуются высокой скоростью травления и допустимым содержанием меди в растворе, отсутствием осадка в ванне и на платах, незначительным изменением цвета защитного Sn-Pb покрытия. Однако процесс неустойчив и сопровождается самопроизвольным разложением исходных веществ. Окислитель не поддается регенерации.
Химическое удаление меди проводится погружением ПП в травитель, наплескиванием раствора на их поверхность или разбрызгиванием через форсунки. Давление раствора в форсунках колеблется в пределах 0,1 - 0,5 МПа, а струя подается перпендикулярно поверхности платы или при небольшом отклонении от перпендикуляра. Постоянное обновление окислителя в зоне обработки и удаление продуктов реакции обеспечивают высокую производительность струйному травлению, а траектория струи - незначительное боковое подтравливание.
Электрохимическое травление ПП основано на анодном растворении меди с последующим восстановлением ионов стравленного металла на катоде. Такой процесс по сравнению с химическим травлением обладает рядом преимуществ: упрощением состава электролита, методики его приготовления, регенерации и очистки сточных вод, высокой и стабильной скоростью травления в течение длительного периода времени, экономичностью, легкостью управления и автоматизацией всех стадий.
Широкое применение электрохимического травления сдерживается неравномерностью удаления металла по плоскости платы, что приводит к образованию невытравленных островков и прекращению процесса. Индивидуальный токопровод, медленное погружение платы в электролит, совмещение электролитического процесса с последующим химическим не обеспечивают его эффективность. Полностью реализовать преимущества электрохимического метода позволяют подвижные носители заряда, которые представляют собой частицы графита, расположенные в суспензированном электролите. Эти частицы принимают заряд с анода и переносят его на поверхность меди, переводя последнюю в ионную форму. Электролит содержит серную кислоту (50 - 100 г/л) с добавкой CuSO4 (до 10%) и взвешенный активированный уголь (массовое содержание 15 - 30%) с размером частиц 10 - 50 мкм. Использование электрохимического травления сводит к минимуму боковое подтравливание токопроводящих дорожек и обеспечивает разрешающую способность, равную 70 - 100 мкм, но стоимость технологического оборудования превышает стоимость машин для химического травления.
После удаления меди с пробельных участков ПП промывают оборотной (используемой для разбавления растворов в модулях травления), а затем холодной проточной водой. Если на поверхности металлических резистов (особенно Sn-Pb) в результате химического взаимодействия с травителем образуются нерастворимые соединения, вызывающие потемнение и ухудшение их паяемости, то их осветляют при температуре 18 - 25°С в течение 3 - 5 мин. Растворы осветления готовят на основе кислот и тиомочевины, например (г/л): соляная кислота - 50 - 60; тиомочевина - 90 - 100; этиловый спирт - 5 - 6; моющее средство "Прогресс" или другое поверхностно-активное вещество -1 - 10.
Подготовительные операции
Подготовительные операции предназначены для обеспечения качества при выполнении основных процессов формирования элементов печатного монтажа. Они включают очистку исходных материалов и монтажных отверстий от окислов, жировых пятен, смазки, пленок и других загрязнений, активирование поверхностей проводящего рисунка, специальную обработку диэлектриков, а также контроль качества подготовки. В зависимости от характера и степени загрязнений очистку (активирование) проводят механическими, химическими, электрохимическими, плазменными методами и их сочетанием. Выбор технологического оборудования для подготовительных операций определяется серийностью производства.
Механическая подготовка в условиях мелкосерийного производства осуществляется вручную смесью венской извести и шлиф-порошка под струей воды. Экономически оправдано применение механизированных и автоматических конвейерных линий в условиях крупносерийного и массового производства. Инструментом на этих линиях служат абразивные круги, капроновые или нейлоновые щетки, на которые подается абразивная суспензия. В некоторых зарубежных установках для зачистки используются круги из нетканого нейлона, насыщенные мелкодисперсным порошком карборунда или алунда, которые для устранения перегрева обильно смачивают водой.
Для очистки монтажных отверстий от наволакивания смолы и других загрязнений широко применяются установки гидроабразивной обработки, в которых платы со скоростью 0,2 - 0,4 м/мин проходят рабочую, промывную и сушильную камеры установки. В рабочей камере через инжекторные форсунки, качающиеся вокруг оси с частотой 35 - 100 циклов в минуту, под давлением 0,5 - 0,7 МПа подается пульпа, состоящая из абразивного порошка (24А, 63С) и воды, которая производит эффективную очистку. Подача воды под давлением 1 - 1,2 МПа обеспечивает тщательную промывку отверстий в следующей камере. Сушка заготовок осуществляется сжатым воздухом.
Высокое качество и производительность обеспечивает плазменная очистка ПП, которая устраняет использование токсичных кислот, щелочей и их вредное воздействие на обслуживающий персонал, материалы обработки и окружающую среду. Специальная обработка диэлектрического материала при изготовлении МПП или ПП аддитивными методами заключается в его подтравливании и придании шероховатости для увеличения прочности сцепления с металлизацией. Подтравливание диэлектрика проводится последовательной обработкой сначала в серной кислоте, а затем в плавиковой или в их смеси (5:1) при температуре 50 - 60°С. Серная кислота образует с эпоксидной смолой сложный, растворимый в воде, сульфированный полимер, а обнажившееся стекловолокно вступает в реакцию с плавиковой кислотой. Скорость травления составляет 40 - 80 мкм/мин. После обработки платы нейтрализуют в растворе щелочей и тщательно промывают.
Увеличение шероховатости диэлектрических поверхностей и клеевых композиций (акрилбутадиенстирольный каучук) достигается механической (гидроабразивной) или химической обработкой. Контроль качества подготовки металлических поверхностей заготовок ПП оценивают по полноте смачивания их водой. Состояние диэлектрических поверхностей проверяют микроскопическими исследованиями, измерением высоты микронеровностей, проведением пробной металлизации и оценкой ее прочности сцепления с основанием. Объективным показателем качества является также проверка сопротивления изоляции после пребывания в камере влажности.
К подготовительным операциям относится упаковка ПП, которая производится на автоматическом оборудовании. Заготовки со скоростью 120 - 240 шт./ч помещаются между слоями полиэтиленовой пленки, которая при помощи тепловой обработки заваривается с четырех сторон и образует герметичную упаковку.
Задание для самостоятельной работы
1. Составить таблицу основных операций заданного технологического метода изготовления ПП: Основные операции химического негативного метода
№Основные операции ТПВозможные способы полученияЭскиз этапа1Входной контроль диэлектрика2Резка заготовокРоликовые ножницы..9Получение монтажных отверстийСверление. 2. Заполнить маршрутную карту заданного технологического процесса изготовления ПП.
3. Варианты задания задаются преподавателем.
Контрольные вопросы
1. Какие функции выполняет ПП?
2. Перечислите методы изготовления ПП.
3. Назовите преимущества и недостатки аддитивного метода.
4. Особенности получения заготовок печатных плат. Для чего нужны базовые отверстия?
5. Назовите способы получения защитного рельефа.
6. Назовите способы получения монтажных и переходных отверстий.
7. Назначение и особенности металлизации ПП.
8. Для чего нужна подготовка поверхности?
9. Из каких соображений выбирают метод и раствор для травления ПП?
10. Почему позитивные фоторезисты обеспечивают более высокую точность рисунка ПП, чем негативные?
2.3. Оценка качества изготовления печатных плат
Виды контроля изготовления печатных плат
Под качеством плат понимают соответствие их чертежу, стандартам и техническим условиям (ТУ). На повышение качества влияют: входной контроль исходных материалов и технологических сред; строгое соблюдение режимов и последовательных операций процесса производства; использование автоматизированного технологического оборудования со встроенными средствами активного контроля; организация объективного пооперационного и выходного контроля; проведение испытаний; организация системы управления качеством.
Входному контролю подвергается каждая партия поступающего на производство диэлектрика, фоторезиста, трафаретной печатной краски. Особое внимание уделяется технологическим свойствам материалов. Проверяются и постоянно корректируются электрофизические и химические параметры используемых технологических сред на операциях травления, металлизации.
Операционный контроль качества проводится после наиболее ответственных технологических операций. Число контрольных точек определяется совершенством и стабильностью процесса. Тщательно проверяется качество фотошаблонов и сетчатых трафаретов, монтажных отверстий, межслойных соединений.
Основными видами выходного контроля ПП являются: контроль внешнего вида; инструментальный контроль геометрических параметров и оценка точности выполнения отдельных элементов, совмещения слоев; проверка металлизации отверстий и их устойчивости к токовой нагрузке; определение целостности токопроводящих цепей и сопротивления изоляции.
Дефекты изготовления печатных плат
Существуют характерные дефекты ПП, возникающие при их изготовлении.
Расслоение многослойной структуры возникает при использовании склеивающих прокладок с просроченным сроком годности или низким содержанием смолы, некачественной подготовке слоев перед прессованием, нарушением режимов прессования или механической обработке контура. Незначительное расслоение платы по углам может быть устранено эпоксидным клеем.
Отслоение элементов печатного монтажа вызывается теми же причинами, что и предыдущий вид дефекта. Оно также происходит вследствие применения узких и длинных печатных проводников, занижения размеров контактных площадок по отношению к размерам просверленных отверстий. Дефект легко устраняется подклеиванием.
Выход отверстий за пределы контактных площадок наблюдается из-за недостаточной точности используемого оборудования и технологической оснастки, смещения слоев при прессовании, деформации диэлектрических оснований и неправильного базирования ПП при выполнении отверстий. Дефект практически не устраняется.
Вздутие происходит, если между слоями остались воздух или влага, при прессовании полное давление прикладывается раньше начала желатинизации клея, и оно неравномерно распределяется по площади платы. Дефект не устраняется.
Коробление плат вызывается несбалансированностью конструкции ПП, неоднородностью склеивающего материала, снятием заготовок с пресса до полного охлаждения плит. Уменьшить коробление можно терморихтовкой.
Короткие замыкания между элементами печатного монтажа могут быть вызваны некачественным травлением, смещением слоев при прессовании, малыми расстояниями между элементами печатного монтажа, попаданием посторонних металлических включений между слоями МПП при сборке. Дефекты легко устраняются на наружных слоях МПП, а на внутренних их устранить технически невозможно.
Разрыв токопроводящих цепей обусловливается следующими причинами: подтравливанием печатных проводников, наличием глубоких царапин на поверхности исходного материала, возникновением внутренних напряжений при прессовании, некачественной подготовкой поверхности отверстий перед металлизацией. Устранить такие дефекты сложно, а на внутренних слоях практически невозможно.
Геометрические характеристики ПП: толщина, диаметр отверстий, расстояние между их центрами, величина коробления, габаритные размеры и смещение отверстий относительно центра - контролируются с помощью стандартизованных инструментов для измерения линейных размеров. Погрешности формы элементов рисунка ПП определяются визуально с помощью проектора при 10-, 20-кратном стереоскопическом увеличении.
Проверку металлизации монтажных отверстий проводят разрушающим или неразрушающим методом. При разрушающем методе изготавливают микрошлиф и по нему определяют толщину слоя, равномерность распределения металлизации, структуру покрытия, его пористость, наличие трещин, качество срастания с элементами печатного монтажа. Длительность приготовления образцов ограничивает применение этого метода этапом отработки техпроцесса. Экспрессную проверку качества металлизации проводят измерением омического сопротивления контактного перехода при подаче тока величиной 1А.
Проверка устойчивости соединений к токовым нагрузкам осуществляется на основе многочасовой работы металлизированных отверстий под током 1 - 3 А. Ослабленные соединения выгорают или в них увеличивается температура, изменение которой эффективно и с высокой точностью контролируется тепловизионными системами.
Целостность токопроводящих цепей и сопротивление изоляции между проводниками проверяется электрическим методом на автоматизированных тестерах.
Испытания печатных плат
Испытания ПП позволяют в условиях климатических и электрических воздействий оценить их соответствие техническим требованиям, предъявляемым к аппаратуре, и установить скрытые дефекты. Испытания подразделяются на приемосдаточные, периодические и типовые.
Приемосдаточные испытания проводятся партиями не более 1000 - 1200 шт., изготовленными по одной конструкторской и технологической документации, и включают: стопроцентный контроль габаритных и установочных размеров, внешнего вида диэлектрического основания и проводящего рисунка на соответствие конструкторской документации, величины изгиба и скручивания, правильности монтажных соединений на отсутствие обрывов и коротких замыканий; выборочную проверку (3% от партии, но не менее 3 шт.) сопротивления изоляции в нормальных климатических условиях при ручном контроле и стопроцентную проверку при автоматизированном; выборочный контроль (1 - 2 платы от ежедневной выработки) толщины металлизации в отверстиях; выборочную проверку (3% от партии, но не менее 3 шт.) паяемости контактных площадок и металлизированных отверстий, а также их устойчивости к перепайкам.
Периодические испытания ПП проводятся с целью подтверждения их эксплуатационных характеристик, правильности выполнения техпроцесса и соответствия конструкторской документации не реже одного раза в шесть месяцев. Для контроля случайным образом выбираются платы, прошедшие приемосдаточные испытания в количестве 5 плат при опытном и мелкосерийном производстве и 10 плат при серийном производстве. В объем испытаний входят: перепайка (5 - 10) отверстий и (5 - 10) контактных площадок, проверка паяемости (1 - 2 платы); проверка омического сопротивления металлизированных отверстий (3 шт.) и их устойчивости к кратковременной токовой перегрузке; проверка в нормальных климатических условиях целостности электрических цепей и сопротивления изоляции (но не менее чем на 5 парах проводников, в том числе цепей питания; контроль внешнего вида, целостности соединений и сопротивления изоляции после воздействия климатических факторов, устанавливаемых в зависимости от группы жесткости испытаний по соответствующему стандарту.
Типовые испытания проводятся для определения эффективности внесенных изменений в конструкцию и технологию ПП. Программа испытаний составляется предприятием, изготавливающим ПП, и согласовывается с разработчиком.
Порядок оценки качества печатной платы
Для оценки качества ПП необходимо проверить их на соответствие ряду требований. Общие требования.
1. Соответствие ПП конструкторской документации. 2. Соответствие материала основания ГОСТ 10316-78 и ГОСТ 26246-84.
3. Деформация при изгибе и скручивании не должна превышать значений, указанных в табл. 2.3.1.
Таблица 2.3.1
Толщина ППДеформация ППМППОППДПП на основе
бумагина основе
стеклотканина основе
бумагина основе
стеклоткани Свыше 1,0 до 1,5 вкл. 1,50,90,90,90,51,5 - 2,0 1,20,80,60,60,4Свыше 2,0 0,9 0,6 0,50,50,5 4. Обеспечение перпендикулярности сторон прямоугольной ПП. Требования к основанию.
1. Основание ПП должно быть однородным без посторонних включений, расслоений, трещин, загрязнений. 2. Контуры ПП, пазов, вырезов, отверстий должны быть обработаны без заусенцев и зазубрин.
3. Качество поверхности проводящего рисунка без защитного покрытия должно соответствовать ГОСТ 10316-78 и ГОСТ 26246-84.
4. Защитное покрытие на поверхности элементов проводящего рисунка должно быть сплошным, без разрывов, отслоений, раковин, пор, посторонних включений.
5. Контактные площадки и металлизированные отверстия должны равномерно смачиваться припоем (обладать паяемостью).
Примеры соединений, выполненных пайкой, представлены на рис. 2.3.1.
Правильно
Неправильно
Рис. 2.3.1. Примеры соединений, выполненных пайкой
Требования к печатным проводникам. Печатные проводники должны быть однородными по структуре и без разрывов. По длине проводника не должно быть более 5 отклонений от рисунка на площади 1 дм2 ПП.
Требования к контактным площадкам.
1. Выход отверстия за край контактной площадки не допускается.
2. Контактные площадки ПП должны выдерживать определенное число перепаек.
С металлизированными отверстиями: - двухслойных ПП - 4;
- многослойных ПП - 3;
без металлизированных отверстий:
- двухслойных ПП - 3;
- многослойных ПП - 2.
3. Поверхность концевых печатных контактов и контактов переключателей должна быть ровной, блестящей, без отслоений, царапин, трещин.
Требования к металлизированным отверстиям.
1. Средняя толщина слоя меди в отверстии должна быть не менее 25 мкм для МПП и 20 мкм для двусторонней печатной платы.
2. Неметаллизированный участок в отверстии не должен превышать по окружности 1/4 ее длины, а вдоль отверстия не должен быть более 0,1 толщины ПП, но не в местах перехода отверстий к контактной площадке наружного слоя.
Требования к экранам.
На поверхности экранов, за исключением места пайки, допускается отсутствие защитного покрытия не более чем на 3-х участках площадью до 1 мм2 каждый на 1 дм2 поверхности ПП.
Задание для самостоятельной работы
1. Варианты задания указываются в таблице:
Вариант заданияТип ПП1Односторонняя2Двусторонняя3Многослойная 2. С помощью измерительного инструмента измерить габаритные, установочные и другие размеры и сделать чертеж ПП.
3. Путем сравнения с эталоном определить материал основания ПП.
4. Провести проверку деформации. Для этого линейку размером более длины диагонали ПП наложить на ПП, расположенную вогнутой стороной вверх. Определить место максимального отклонения вогнутой поверхности от линейки и измерить его. Измерить расстояние между точками касания линейки с поверхностью ПП. Значение деформации ПП на 100 мм длины определить по следующей формуле:
К = 1002h/L2,
где h - максимальное расстояние от поверхности ПП до линейки, мм; L - расстояние между точками опоры линейки, мм. Расчетную величину сравнить с представленной в табл. 2.3.1.
5. Проверить отклонение от перпендикулярности сторон ПП с помощью треугольника.
6. Проверить внешний вид платы в соответствии с требованиями к основанию, печатным проводникам и контактным площадкам, металлизированным отверстиям и экранам.
7. Проверить паяемость. Для этого на ПП выбрать 8 -10 отверстий, расположенных по диагонали. Нанести с помощью кисти флюс (40% канифоли и 60% этилового спирта). Припоем ПОС-61 однократным прикасанием жала паяльника к контактной площадке отверстия произвести пайку (температура пайки 250...280 оС, время пайки ПП толщиной 0,8 - 1 мм составит 2 с, 1,5 мм - 3 с, 2 мм - 4 с, 2,5...3 мм - 5 с). Удалить остатки флюса и проверить качество заполнения отверстий припоем (см. рис. 2.3.1).
8. Проверить устойчивость к перепайкам контактных площадок 3 методом припаивания и отпаивания медной луженой проволоки 2, расположенных на плате 1 (рис.2.3.2). Перепайку производят электропаяльником мощностью от 20 до 40 Вт при температуре 250 -270оС с использованием флюса и припоя ПОС-61 на 5 -10 контактных площадках.
Через 8 -10 мин отпаивают проволоку и отделяют ее от контактной площадки. После охлаждения контактной площадки через каждые 8 -10 мин вновь припаивают проволоку и т.д. После трех циклов (для МПП - двух) перепайки проводят внешний осмотр с помощью лупы. На ПП не должно быть вздутий, отслоений металлизированных покрытий, расслоений материала основания.
9. Сделать выводы о соответствии ПП технологическим требованиям.
Рис. 2.3.2. Внешний вид припаиваемой медной проволоки к контактной площадке Отчет о проделанной работе
Отчет должен содержать:
1. Чертеж ПП с указанием необходимых требований.
2. Оценка качества изготовления ПП.
3. Вывод о качестве ПП.
4. Технологический процесс контроля ПП.
Контрольные вопросы
1. Виды контроля изготовления печатных плат.
2. Назовите основные материалы, используемые в качестве основания ПП.
3. Дефекты изготовления ПП.
4. Какие факторы могут привести к деформации ПП и как ее определить?
5. Какие факторы могут привести к расслоению, заусенцам и другим дефектам основания?
6. Виды испытаний печатных плат.
7. Какие факторы влияют на паяемость контактных площадок и металлизированных отверстий? 8. Каковы режимы пайки? Сколько перепаек могут выдержать контактные площадки и металлизированные отверстия ПП?
2.4. Разработка схемы технологического процесса сборки электронного узла
Общие сведения
Сборка представляет собой совокупность технологических операций механического соединения деталей и ЭРЭ в изделия или его части, выполняемых в определенной последовательности для обеспечения заданного их расположения и взаимодействия. Выбор последовательности операций сборочного процесса зависит от конструкции изделия и организации процесса сборки.
Сборочные соединения бывают подвижными, если сопряженные детали могут перемещаться в определенных направлениях относительно друг друга, или неподвижными, если их взаимное расположение сохраняется неизменным. В свою очередь они разделяются на разъемные и неразъемные.
Монтажом называется ТП электрического соединения ЭРЭ изделия в соответствии с принципиальной электрической схемой. Монтаж производится с помощью печатных, проводных или тканых плат, одиночных проводников, жгутов и кабелей. Основу монтажно-сборочных работ составляют процессы формирования электрических и механических соединений.
В соответствии с последовательностью технологических операций процесс сборки (монтажа) делится на сборку (монтаж) отдельных сборочных единиц (плат, блоков, панелей, рам, стоек) и общую сборку (монтаж) изделия.
Изделием называется любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии. Изделия основного производства предназначены для поставки, а вспомогательного производства - только для собственных нужд.
Установлены следующие виды изделий: детали, сборочные единицы, комплексы и комплекты.
Деталь - изделие, изготовляемое из однородного по наименованию и марке материала, без применения сборочных операций (например, валик из одного куска металла, печатная плата, отрезок провода заданной длины). К этому виду изделий относятся также детали, подвергнутые покрытиям (защитным и декоративным) независимо от вида, толщины и назначения покрытия или изготовленные с применением местной сварки, пайки, склепки, сшивки и т.п. (например, хромированный винт, трубка, сваренная из одного куска листового материала).
Сборочная единица - изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе с помощью сборочных операций (свинчиванием, клепкой, сваркой и т п.), например, микромодуль, маховичок из пластмассы с металлической арматурой.
Комплекс - это два изделия и более, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций. Каждое из изделий, входящих в комплекс, выполняет одну или несколько основных функций, установленных для всего комплекса, например поточная линия станков, изделие, состоящее из метеорологической ракеты, пусковой установки и средств управления. В комплекс могут входить детали, сборочные единицы и комплекты, предназначенные для выполнения вспомогательных функций, например для монтажа комплекса на месте его эксплуатации, комплект запасных частей и др.
Комплект состоит из двух изделий и более, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями и представляющих собой набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера, например комплект измерительной аппаратуры, комплект запасных частей.
Изделия агрегатной системы средств вычислительной техники на основе микроэлектронных схем, предназначенных для построения и эксплуатации вычислительных комплексов, изготовляются следующих видов: субкомплексы, устройства, агрегатные модули, блоки элементов и др.
Субкомплекс - часть комплекса, выделенная функционально, территориально или конструктивно.
Устройство - функционально законченное изделие, выполняющее определенную функцию получения, передачи, преобразования информации, не имеющее самостоятельного эксплуатационного назначения.
Агрегатный модуль предназначен для компоновки устройств, субкомплексов и комплексов. Он состоит из приборов, блоков и элементов, но представляет собой неделимое изделие для потребителя.
Блок элементов - первичная функциональная конструкторская единица, не имеющая самостоятельного эксплуатационного назначения и используемая для построения приборов.
Организационно процесс сборки может быть стационарным или подвижным. Стационарная сборка выполняется на одном рабочем месте, к которому подаются все необходимые детали и сборочные единицы. Она является наиболее распространенным видом сборки в условиях единичного и серийного производства.
Стационарная сборка может строиться по принципу концентрации и дифференциации. При концентрации весь сборочный процесс производится на одном рабочем месте. При этом процессе повышается точность сборки, упрощается процесс нормирования. Однако большая длительность цикла сборки, трудоемкость механизации сложных сборочно-монтажных операций определяют применение такой формы в условиях единичного и мелкосерийного производства.
Дифференцированная сборка предполагает расчленение сборочно-монтажных работ на ряд последовательных простых операций. Это позволяет легче механизировать и автоматизировать работы, использовать рабочих низкой квалификации. Этот вид сборки эффективен в условиях серийного и массового производства. Подвижная сборка выполняется при перемещении собираемого изделия от одного сборочного места к другому. На каждом рабочем месте выполняется одна повторяющаяся операция.
Эта форма сборки применяется в условиях поточного производства. Она может осуществляться двумя способами:
а) со свободным движением собираемых объектов, перемещаемых от одного рабочего места к другому вручную или при помощи механического транспортера;
б) с принудительным движением собираемых объектов, которые перемещаются посредством конвейера при строго рассчитанном такте.
К монтажно-сборочным процессам предъявляются требования высокой производительности, точности и надежности. На повышение производительности труда существенное влияние оказывают не только степень детализации процесса и специализации рабочих мест, уровень механизации и автоматизации, но и такие организационные принципы, как параллельность, прямоточность, непрерывность, пропорциональность и ритмичность.
Параллельность сборки - это одновременное выполнение частей или всего технологического процесса, что приводит к сокращению производственного цикла. Использование этого принципа обусловлено конструкцией ЭВС, степенью ее расчленения на сборочные единицы. Под прямоточностью понимают процесс обеспечения кратчайшего пути прохождения изделия по всем фазам и операциям от запуска исходных материалов и ЭРЭ до выхода готового изделия. Любые отклонения от прямоточности усложняют процесс сборки, удлиняют цикл изготовления аппаратуры. Принцип прямоточности должен соблюдаться во всех подразделениях предприятия и сочетаться с принципом непрерывности.
Непрерывность ТП сборки предусматривает сокращение или полное устранение меж- или внутриоперационных перерывов. Достигается непрерывность рациональным выбором техпроцессов, соединением операций изготовления деталей с их сборкой, включением в поток операций влагозащиты, контроля и регулировки.
Под принципом пропорциональности в организации производственного процесса понимается пропорциональная производительность в единицу времени на каждом рабочем месте, линии, участке, цехе. Это приводит к полному использованию имеющегося оборудования, производственных площадей и равномерному выпуску изделий. Улучшает пропорциональность рациональное деление конструкции на сборочные единицы и унифицированность ее элементов.
Принцип ритмичности предполагает выпуск в равные промежутки времени одинаковых или возрастающих количеств продукции. Ритмичность при сборке повышается за счет использования типовых и групповых процессов, их унификации и предварительной синхронизации операций.
Проектирование ТП сборки и монтажа ЭВС начинается с тщательного изучения на всех производственных уровнях исходных данных, к которым относятся: краткое описание функционального назначения изделия, технические условия и требования, комплект конструкторской документации, программа и плановые сроки выпуска, руководящий технический, нормативный и справочный материал. К этим данным добавляются условия, в которых предполагается изготавливать изделия: новое или действующее предприятие, его местонахождение, имеющееся на нем оборудование и возможности приобретения нового, кооперирование с другими предприятиями, обеспечение материалами и комплектующими изделиями. В результате проведенного анализа разрабатывается план технологической подготовки и запуска изделия.
В разработку ТП сборки и монтажа входит следующий комплекс взаимосвязанных работ: 1) выбор возможного типового или группового ТП и его доработка в соответствии с требованиями, приведенными в исходных данных; 2) составление маршрута единичного ТП общей сборки и установление технологических требований к конструкции входящих в нее блоков и сборочных единиц; 3) составление маршрутов единичных ТП сборки блоков (сборочных единиц) и установление технологических требований к входящим в них сборочным единицам и деталям; 4) определение необходимого технологического оборудования, оснастки, средств механизации и автоматизации; 5) моделирование и оптимизация техпроцесса по производительности; 6) разбивка ТП на элементы; 7) расчет и назначение технологических режимов, техническое нормирование работ и определение квалификации рабочих; 8) разработка ТП и выбор средств контроля, настройки и регулировки; 9) выдача технического задания на проектирование и изготовление специальной технологической оснастки; 10) расчет и проектирование поточной линии, участка серийной сборки или гибкой производственной системы, составление планировок и разработка операций перемещения изделий и отходов производства; 11) выбор и назначение внутрицеховых подъемно-транспортных средств, организация комплектовочной площадки; 12) оформление технологической документации на процесс в соответствии с ЕСТД и ее утверждение; 13) выпуск опытной партии; 14) корректировка документации по результатам испытаний опытной партии.
Разработка технологического маршрута сборки и монтажа ЭВС начинается с расчленения изделия или его части на сборочные элементы путем построения схем сборочного состава и технологических схем сборки. Элементами сборочно-монтажного производства являются детали и сборочные единицы различной степени сложности. Построение таких схем позволяет установить последовательность сборки, взаимную связь между элементами и наглядно представить проект ТП. Сначала в компактном виде составляется схема сборочного состава всего изделия, а затем ее дополняют развернутыми схемами отдельных сборочных единиц. Расчленение изделия на элементы проводится независимо от программы его выпуска и характера ТП сборки. Схема сборочного состава служит основой для разработки технологической схемы сборки, в которой формируется структура операций сборки, устанавливается их оптимальная последовательность, вносятся указания по особенностям выполнения операций.
Технологическая схема сборки представляет собой графическое изображение в виде условных обозначений последовательности сборки изделия или его составной части. Каждый элемент (деталь, сборочная единица) изображается на схеме прямоугольником (рис. 2.4.1), разделенным на три части, где указываются наименование элемента, индекс и число элементов данного типа, входящих в данное соединение. Наименование элемента
Индекс
элементаn
Рис. 2.4.1. Условное обозначение элемента сборки: n - количество элементов, входящих в данное соединение
На практике широко применяют два типа схем сборки: с базовой деталью и "веерного" типа.
Схема сборки с базовой деталью (рис. 2.4.2) отражает последовательность процесса сборки. Базовой деталью является плата, панель или другая деталь, с которой начинается сборка. Направления движения деталей и узлов показаны стрелками.
Схема сборки "веерного" типа (рис. 2.4.3) показывает, из каких деталей образуется сборка. Достоинством такой схемы является ее простота и наглядность, но она не отражает последовательность сборки.
Рис. 2.4.2. Схема сборки с базовой деталью
Состав операций сборки определяют исходя из оптимальной дифференциации монтажно-сборочного производства. При непоточном производстве целесообразными технологическими границами дифференциации являются: 1) однородность выполняемых работ; 2) получение в результате выполнения операции законченной системы поверхностей деталей или законченного сборочного элемента; 3) независимость сборки, хранения и транспортирования от других сборочных единиц; 4) возможность использования простого (универсального) или переналаживаемого технологического оснащения; 5) удобство планировки рабочих мест и участков; 6) обеспечение минимального удельного веса вспомогательного времени в операции; 7) установившиеся на данном производстве типовые и групповые операции.
Рис. 2.4.3. Схема сборки "веерного" типа
Оптимальная последовательность технологических операций зависит от их содержания, используемого оборудования и экономической эффективности, что предъявляет соответствующие требования к последовательности сборки:
а) операции сборки не должны затруднять выполнение последующих операций;
б) при поточной сборке разбивка процесса на операции должна осуществляться с учетом темпа сборки;
в) после операций, содержащих регулировку, а также после сложных операций, при выполнении которых может появиться брак, необходимо включать контрольные операции.
Критерии сборки:
а) минимум деталей в собираемом изделии;
б) блочный принцип построения сложных изделий;
в) минимум крепежных деталей;
г) минимум соединений, затрудняющих применение автоматизации;
д) минимум технологических связей сборки при компоновке узлов изделия;
е) максимум взаимозаменяемых деталей;
ж) минимум сложных форм деталей.
Разработанная схема сборки позволяет проанализировать технологический процесс с учетом технико-экономических показателей и выбрать оптимальный ТП как с технической, так и с организационной точек зрения.
Задание для самостоятельной работы
1. Провести анализ изделия и установить его сборочные элементы (базовую деталь, группу, подгруппу). Варианты задания и тип сборочной единицы задаются преподавателем.
2. Провести анализ каждого узла, группы, подгруппы, определить базовые детали и подгруппы различных порядков.
3. Составить технологическую схему сборки.
Отчет о проделанной работе
Отчет должен содержать: схему сборки изделия; анализ отработки конструкции сборочной единицы на технологичность; заключение.
Контрольные вопросы
1. Назовите сборочные единицы, из которых состоит изделие.
2. Какие соединения выполняются в сборке и чем они отличаются друг от друга?
3. Как построить схему сборки изделия?
4. Как обозначается компонент изделия на схеме?
5. Назовите требования к последовательности сборки.
6. Назовите критерии сборки.
2.5. Изучение типового маршрутного технологического процесса сборки и электромонтажа электронного узла
Общие сведения
Производственный процесс - совокупность действий рабочих и орудий производства, в результате которых исходные материалы, полуфабрикаты и компоненты превращаются в готовую продукцию (платы, ячейки, блоки и т.п.), соответствующую своему назначению.
Производственный процесс делится на основной и вспомогательный. К основному производственному процессу относят процессы по изготовлению продукции, предусмотренные заказчиком, к вспомогательному - процессы складирования, транспортировки, ремонта, энерго- и водоснабжения и др.
Технологический процесс (техпроцесс) - часть производственного процесса, непосредственно связанная с последовательным изменением состояния предмета труда, с превращением его в готовую продукцию. Технологический процесс делится на операции, а операции - на установы, позиции, технологические переходы, ходы, приемы.
Технологическая операция - законченная часть техпроцесса, выполняемая на одном рабочем месте одним или несколькими рабочими над одним или несколькими совместно обрабатываемыми или собираемыми деталями.
Установ или установка - часть технологической операции, выполняемая при неизменном закреплении обрабатываемой заготовки (заготовок) или собираемой сборочной единицы.
Технологический переход (переход) - законченная часть технологической операции, характеризуемая постоянством применяемого инструмента и поверхностей, образуемых обработкой или соединяемых при сборке.
Вспомогательный переход - законченная часть технологической операции, которая не сопровождается изменением формы или состояния заготовки, но необходима для выполнения технологического перехода (например, установка заготовки, ее закрепление и т.д.).
Проход - часть перехода, заключающаяся в снятии одного слоя материала с обрабатываемой поверхности.
Рабочий ход - законченная часть перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, сопровождаемого изменением формы, размеров, шероховатости или свойств заготовки.
Вспомогательный ход - законченная часть перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки без изменения формы, размеров, шероховатости или свойств заготовки.
Позиция - каждое новое положение заготовки относительно инструментов при неизменном ее закреплении в приспособлении (например, поворотное многопозиционное приспособление).
Прием - совокупность отдельных движений в процессе выполнения работы или подготовки к ней (пуск станка, выключение и т.п.).
Рабочее место - часть производственной площади, оснащенной основным технологическим и вспомогательным оборудованием и средствами, закрепленными за рабочим для выполнения операции.
Такт выпуска - интервал времени, через который производится выпуск изделий.
Ритм выпуска (производительность) - обратная величина такта - количество изделий в единицу времени.
Различают три основных типа производства продукции - единичное, серийное и массовое. Единичное производство характеризуется единичным или малым объемом выпускаемых изделий, процесс изготовления которых не повторяется или повторяется через неопределенный промежуток времени. Для единичного производства характерно применение универсального, переналаживаемого оборудования, высококвалифицированного персонала, высокая себестоимость продукции и низкая производительность.
Серийное производство характеризуется изготовлением изделий периодически повторяющимися партиями, сериями. В зависимости от количества изделий в партии различают мелкосерийное, среднесерийное (серийное), крупносерийное производства. Выпуск партий еженедельный, ежемесячный, ежеквартальный. Для серийного производства характерно использование специализированного и автоматизированного оборудования и оснастки, особенно станков с ЧПУ. В серийном производстве рабочие имеют среднюю и высокую квалификацию, производительность труда выше, чем при единичном производстве.
Массовое производство - это производство одинаковых изделий в течение длительного периода времени. Особенностью данного производства является закрепление за одним рабочим местом одной операции, требующей использования рабочих невысокой квалификации или исключения из процесса рабочих и замены их роботами и робототехническими комплексами. Для массового производства характерным является поточный принцип изготовления продукции на автоматических линиях, цехах и даже автоматических заводах. Оборудование и оснастка, как правило, специальное, дорогое и высокопроизводительное.
Технологические процессы, в зависимости от подробности их разработки, типизации, наличия оборудования и объема выпуска изделий, классифицируют на следующие виды:
- проектный (начальная стадия, много вариантов);
- рабочий (конкретный, для работы);
- единичный (техпроцесс только на данное изделие);
- типовой (на конструктивно подобные изделия);
- групповой (на технологически подобные изделия для мелкосерийного, многономенклатурного производства);
- временный (оперативный), для имеющегося на предприятии оборудования при изготовлении пробных изделий;
- стандартный (обязательный к применению для отрасли, государства);
- перспективный (для вновь разрабатываемых производств или модернизации старых предприятий);
- маршрутный;
- операционный;
- маршрутно-операционный.
Типовым ТП называется схематичный принципиальный процесс сборки и монтажа изделий одной классификационной группы, включающий основные элементы конкретного процесса: способ установки базовой детали и ориентации остальных, последовательность операций, типы технологического оснащения, режимы работы, приближенную трудоемкость для заданного выпуска изделий. По типовому процессу легко составляется конкретный процесс сборки изделия.
Предпосылкой типизации является классификация деталей, ЭРЭ, сборочных единиц и блоков по признакам конструктивной (размеры, общее число точек соединения, схема базирования и др.) и технологической (маршрут сборки, содержание переходов, оснащение) общности.
Маршрутный технологический процесс определяет порядок (маршрут) следования операций, их вид и наименование, оборудование и оснастку для выполнения операций, трудоемкость выполнения операций и квалификацию работников. Для мелкосерийного производства достаточна разработка маршрутной технологии. При этом все параметры разработки заносятся в маршрутные карты.
Для средне- и крупносерийного, а также массового производства после маршрутной технологии следует разработка операционной технологии. При этом каждая операция разрабатывается подробно. Окончательно выбирается оборудование и оснастка, выбираются или рассчитываются технологические режимы. Операция дробится на технологические переходы - используется принцип дифференциации и концентрации технологических переходов при выполнении операции. Вычерчивается эскиз операции с установочными базами и настроечными размерами. Рассчитывается операционное время и окончательно устанавливается норма штучного времени. Данные разработки заносятся в операционные карты.
Маршрутно-операционная технология применяется, когда на отдельные, наиболее сложные, операции маршрутной технологии разрабатывается операционная технология.
Исходными данными для разработки технологических процессов являются:
- конструкторская документация на изделие (сборочные чертежи, рабочие чертежи, электрические схемы, монтажные схемы);
- технические требования на изделие, где указываются дополнительные требования к изделию;
- спецификация на входящие в изделие компоненты;
- объем выпуска продукции;
- сроки выпуска (еженедельно, ежемесячно, ежеквартально);
- наличие технологического оборудования, оснастки;
- справочная, нормативная литература, программы.
Исходными данными для разработки маршрутного техпроцесса являются: схема сборки с базовой деталью, типовой техпроцесс, объем выпуска, коэффициент закрепления операций - отношение количества операций к количеству рабочих мест.
В табл.2.4.1 приведено содержание типового технологического процесса сборки и монтажа электронного узла.
Таблица 2.4.1
АПодготовительная. ИОТ для комплектовщиковБСтол рабочийО1Подготовить детали, узлы, ЭРЭ, микросхемы и материалы к работе согласно спецификацииО2Проверить срок хранения печатных плат (не более 6 месяцев)О3Проверить все ЭРЭ, микросхемы, разъемы и материалы на наличие отметки о входном контролеАУдаление остатков флюса
ИОТ для лиц, работающих с ЛВЖ (легко воспламеняющиеся жидкости)О1Удалить консервирующее покрытие с поверхности платыО2Сушить платуРТ = 18 - 23 оС, t = 15 - 20 минТЧасы сигнальные, тараО3Уложить платы в таруТТараАПодготовка ЭРЭ и микросхем к сборке и монтажу. ИОТ для монтажников О1Формовать выводы элементов согласно сборочному чертежуАОблуживание паяемых поверхностей. ИОТ для монтажников БСтол рабочий с вентиляциейМФлюс ФКТ. Припой ПОС-61. Шкурка шлифовальная тканевая водостойкая. Все работы выполняются в антистатическом браслетеО1Зачистить выводы элементов от лакокрасочных покрытий и окисных пленокО2Флюсовать выводы ЭРЭ погружением в ванну с флюсом ФКТТВаннаО3Лудить выводы микросхем припоемРТ = 250 ± 10 оС, t = 5 с (для ЭРЭ), t = 2 с (для микросхем)ТВанна - тигель, пинцет - теплоотвод, кассета, штангенциркульО4Проверить качество лужения визуально. Обнаруженные дефекты исправить паяльникомТЭлектропаяльник, подставка под паяльникО5Уложить ЭРЭ и микросхемы в таруТТараАПайка готовым припоем. ИОТ для монтажников РЭАБСтол монтажный с вентиляцией. Система для замера температуры жала паяльникаМПрипой ПОС-61. Флюс ФКТО1Установить микросхемы на плату согласно сборочному чертежуТПинцетО2Флюсовать место соединения, подлежащее пайке согласно чертежуТКисть филеночнаяПродолжение табл.2.4.1
О3Паять соединение согласно чертежу припоем ПОС-61РТемпература жала паяльника 260 ± 10 оС, время - 3 сТЭлектропаяльник. Подставка под паяльник. Пинцет - теплоотводО4Установить заформованные ЭРЭ на печатную плату согласно чертежуТОстрогубцы. ПинцетО5Флюсовать места соединений, подлежащие пайке, согласно чертежу припоем ПОС-61РТемпература жала паяльника 270 ± 10 оС, время пайки - 5 сТЭлектропаяльник. Подставка под паяльникО6Проверить качество пайки. Дефектные пайки исправить паяльникомО7Уложить электронный узел в таруТТараАУдаление остатков флюса. ИОТ для лиц, работающих с ЛВЖО1Промыть электронный узел после пайкиАКонтрольная. ИОТ для контролеровБСтол контрольныйО1Проверить установку микросхем, навесных ЭРЭ на соответствие сборочному чертежуТПерчатки трикотажныеО2Проверить качество пайкиО3Проверить качество удаления остатков флюсаТЛупаО4Уложить электронный узел в таруТТараАМаркирование. ИОТ для лиц, работающих с ЛВЖБСтол рабочий с вытяжной вентиляцией. Шкаф сушильныйМКраска маркировочная МКЭ черная. Полотно холстопрошивное хлопчатобумажноеО1Маркировать дату изготовления электронного узла, порядковый номер шрифтом 3ТРейсфедерО2Сушить замаркированный электронный узелРТ = 60 ± 5 оС, t = 2 ч или Т = 25 ± 5 оС, t = 72 чТТараО3Проверить правильность маркировки и качество маркировки 5-, 6-кратной протиркой сухой хлопчатобумажной тканьюО4Уложить электронный узел в таруТТараАКонтрольная. ИОТ для контролеровБСтол контрольный. Стенд универсальный
Окончание табл.2.4.1
О1Проверить электронный узел согласно карте проверкиАЛакирование. ИОТ для маляровО1Лакировать электронный узел согласно сборочному чертежуО2Уложить электронный узел в таруТТараАСлесарно-сборочная. ИОТ для слесарей сборщиковО1Произвести установку угольникаО2Произвести приклеивание планки с шифрамиАКонтроль и термотренировка электронного узлаО1Произвести проверку электронного узла на вибропрочность согласно техническим условиямО2Произвести термотренировку электронного узла согласно инструкции на термотренировкуАКонтрольная. ИОТ для контролеров ОТКБСтол контрольный. Стенд универсальныйО1Проверить электронный узел согласно карте проверкиО2Уложить электронный узел в таруТТара Примечание. А - операция; Б - оборудование; Т - оснастка, инструмент; М - материалы; Р - режимы; О - переход.
Задание для самостоятельной работы
1. Варианты электронных узлов и типов производств выдаются преподавателем.
2. Разработать технологический процесс сборки и электромонтажа электронного узла.
3. Заполнить маршрутную карту техпроцесса.
4. Сделать выводы по выбору оборудования в зависимости от типа производств.
Отчет о проделанной работе
Отчет должен содержать:
- описание технологического процесса сборки и электромонтажа электронного узла;
- маршрутную карту техпроцесса;
- вывод об использованном оборудовании в зависимости от типа производства.
Контрольные вопросы
1. Что называется производственным и технологическим процессами? В чем их различия?
2. Что такое технологическая операция и переход?
3. Какая документация разрабатывается на технологический процесс?
4. Как обозначаются элементы технологического процесса?
5. Как влияет тип производства на выбор оборудования и оснастки?
Библиографический список
1. Преснухин Л.Н., Шахнов В.А. Проектирование электронных вычислительных машин и систем. - М.: Высш. шк., 1986.
2. Савельев А.Я., Овчинников В.А. Конструирование ЭВМ и систем. - М.: Высш. шк., 1990.
3. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств. - М.: Высш. шк., 1990.
4. Шерстнев В.В. Конструирование и микроминиатюризация ЭВА. - М.: Радио и связь, 1984.
5. Гель П.П., Иванова-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры. -Л.: Энергоатомиздат, 1984.
6. Токарев М.Ф., Талицкий Е.Н., Фролов В.А. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1984.
7. Дульнев Г.Н., Тарновский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. - Л.: Энергия, 1971.
8. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Выс. шк., 1984.
9. Роткоп Л.Л., Спокойный Ю.Е. Обеспечение тепловых режимов при конструировании РЭА. - М.: Сов. радио, 1976.
10. Астафьев А.В. Окружающая среда и надежность радиотехнической аппаратуры. - М.;Л.: Энергия, 1965.
11. Князев А.Д., Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. - М.: Радио и связь, 1989.
12. Борисов В.Ф., Лавренов О.П., Назаров А.С., Чекмарев А.Н. Конструирование радиоэлектронных средств. - М.: Изд-во МАИ, 1996.
13. Несущие конструкции радиоэлектронной аппаратуры/ П.И.Овсищер, Ю.В.Голованов, В.П.Калашников и др.; Под ред. П.И.Овсищера. - М.: Радио и связь, 1988.
14. Технология ЭВА, оборудование и автоматизация/ В.Г.Алексеев, В.И.Гриднев, Ю.И.Нестеров и др. - М.: Высшая школа, 1984.
15. Технология и автоматизация производства РЭА/ И.П.Бушминский, О.Ш.Даутов, А.П.Достанко и др.; Под ред. А.П.Достанко, Ш.М.Чабдарова. - М.: Радио и связь, 1989.
16. Черняев В.Н. Физико-химические процессы в технологии РЭА. - М.: Высш. шк., 1987.
17. Ушаков Н.Н. Технологи производства ЭВМ - М.: Высш. шк., 1991.
18. Технология деталей радиоэлектронной аппаратуры/ С.Е.Ушакова, В.С.Сергеев, А.В.Ключников, В.П.Привалов; Под ред. С.Е.Ушаковой. - М.: Радио и связь, 1986.
19. Конструирование и технология печатных плат. /А. Т. Жигалов, Е. П. Котов и др. - М.: Высш. шк., 1973.
20. Яншин А.А. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности ЭВА. - М.: Радио и связь, 1983.
УМРИХИН Владимир Васильевич
ЗАХАРОВ Иван Сафонович
ШИРАБАКИНА Тамара Александровна
ВАХАНИЯ Валерян Иродионович
КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ
Учебное пособие
Редактор О.А.Петрова
Компьютерная верстка и макет А.А.Гончарова
Позиция плана № 14.2004
ИД № от
Подписано в печать . Формат 60х84 1/16. Печать офсетная.
Усл. печ. л. . Уч.-изд.л. . Тираж 100 экз. Заказ .
Курский государственный технический университет.
Издательско-полиграфический центр Курского государственного технического университета 305040, Курск, ул.50 лет Октября, 94
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
1 958
Размер файла
2 748 Кб
Теги
учебно, пособие
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа