Конструирование модуля ЭВМ для обработки телеметрических данных

Заданная плата двусторонняя, поэтому выбираем материал фольгированный с двух сторон. Толщину фольги выбираем 35 мкм. Для нашей платы выбираем материал – стеклотекстолит, так как наиболее подходящие для нас параметры и его рекомендуют при изготовлении печатных плат комбинированным позитивным методом.

Нам достаточно материала с нормальной прочностью и жаростойкостью, поэтому выбираем стеклотекстолит фольгированный с двух сторон, гальваностойкий с нормальной прочностью и жаростойкостью – СФ-2-35. Его основные параметры:

1.  толщина фольги – 35.5 мКм;

2.  рабочая температура = -60¸105оС;

3.  относительная влажность – 93 % при t = 40оС;

4.  rs = 5×1010 Ом;

5.  s = 4,5Н;

6.  диэлектрическая проницаемость = 5,5.

Стеклотекстолит данной марки применяют также для печатных плат с повышенными диэлектрическими свойствами.

2.7 Компоновка и размещение ИМС и РЭ на печатной плате

Размещение ЭРЭ и ИМС предшествует трассировке печатных связей и во многом определяет эффективность трассировки.

Основной метод размещения ИМС - плоский многорядный. Задача компоновки заключается в том, что с одной стороны необходимо разместить элементы как можно более плотно, а с другой стороны - обеспечить наилучшие условия для трассировки, электромагнитной и тепловой совместимости, автоматизации сборки, монтажа и контроля.

Микросхемы со штырьковыми выводами устанавливаются с одной стороны печатной платы, а микросхемы с планарными выводами, бескорпусные ИМС и ЭРЭ допустимо устанавливать с двух сторон печатной платы. Крепление микросхем и ЭРЭ осуществляется, в основном, пайкой, причем, не задейственные контакты необходимо запаивать для увеличения жесткости. Микросхемы с планарными выводами можно устанавливать с помощью клея и лака. Их выводы припаивают к контактным площадкам. Корпус микросхемы с планарными выводами приклеивают непосредственно на полупроводник или на контактную прокладку. Прокладка может быть из тонкого текстолита 0,3 мм или металлическая (медь, алюминий, их сплавы) 0,2 - 0,5 мм. Металлическая прокладка служит в качестве теплоотводящей шины. Для ее изоляции от проводников используют специальную пленку.

Центры металлизированных и крепежных отверстий на полупроводнике должны располагаться в узлах координатной сетки. Координатную сетку применяют для определения положения печатного монтажа. Основной шаг координатной сетки 2,5 мм, дополнительный - 1,25 мм и 0,25 мм. Контактные площадки или металлизированные отверстия под первый вывод должны иметь ключ. Для увеличения ремонтопригодности, ИМС второй степени интеграции устанавливают в разъемные соединители. Электрический соединитель крепят и распаивают на печатной плате.

2.8 Выбор и обоснование метода изготовления печатной платы

Позитивный комбинированный способ является основным при изготовлении двусторонних печатных плат. Преимуществом позитивного комбинированного метода по сравнению с негативным является хорошая адгезия проводника, повышенная надежность монтажных и переходных отверстий, высокие электроизоляционные свойства. Последнее объясняется тем, что при длительной обработке в химически агрессивных растворах (растворы химического меднения, электролиты и др.) диэлектрическое основание защищено фольгой. Технологический процесс изготовления печатной платы комбинированным позитивным методом состоит из следующих операций:

1.Резка заготовок

2.Пробивка базовых отверстий

3.Подготовка поверхности заготовок

4.Нанесение сухого пленочного фоторезиста

5.Нанесение защитного лака

6.Сверловка отверстий

7.Химическое меднение

8.Снятие защитного лака

9.Гальваническая затяжка

10.Электролитическое меднение и нанесение защитного покрытия ПОС-61

11.Снятие фоторезиста

12.Травление печатной платы

13.Осветление печатной платы

14.Оплавление печатной платы

15.Механическая обработка

Далее рассмотрим каждую операцию более подробно.

2.9 Выбор защитного покрытия

Для осуществления технического процесса необходимы вспомогательные материалы: внешнее защитное покрытие печатной платы.

Таблица 24 - Основные параметры лаков

Из условий эксплуатации (температура, влажность, механическая прочность) выбираем полиуретановый лак УР-231, обладающий достаточной влагонепроницаемостью, по сравнению с ЭП-730 и ЭП-9114. Покрытия эластичные, глянцевые, механически прочные, твердые, устойчивые к периодическому воздействию минерального масла, нефраса, спирто-нефрасовой смеси, постоянному воздействию влаги, обладают электроизоляционными свойствами.

3.Расчётная часть

3.1 Расчёт потребляемой мощности

Мощность, потребляемая всем устройством, зависит от потребляемой мощности отдельных микросхем и количества микросхем.

Потребляемая мощность каждой микросхемы рассчитывается по формуле:

Р = Icc× Ucc, Вт,

где Icc – ток потребления от источника питания для данной микросхемы;

Ucc - напряжение питания.

Общий потребляемый ток от источника питания каждой микросхемы, при напряжении питания +5 В, рассчитывается по формуле:

I+5В =4*I+5В(КР580ИР82) + I+5В(К155ЛА2) + I+5В(7411) + I+5В(КР580ВВ55А) + I+5В(КР580ВВ51А) +I+5В(LM393)+ 2*I+5В(TPL2630) +I+5В(ADM485) +2*I+5В(К555ИД7)+ I+5В(КР580ВК28) +I+5В(КР580ВМ80А) + I+5В(КР580ГФ24) +I+5В(КР568РЕ5)

где I+5 В - ток потребления, при напряжении питании +5В

I +5В =4*160+6+8+120+100+3+2*36+200+2*9,7+190+85+115+16= 1574,4 мA

Считаем мощность: Р =1,5744 ×13 = 20,46 Вт

3.2 Трассировка соединений и расчёт элементов печатного монтажа

1.  Исходя из технологических возможностей, выбираем метод получения платы – комбинированный, способ получения рисунка – позитивный и 3-й класс точности. Плата ДПП и ее размер 160х100 мм.

2.  Определяем ширину минимальную, в мм, печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

где,  – максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках (определяется из анализа электрической схемы);

 – допустимая плотность тока, выбирается в зависимости от метода изготовления из таблицы.

t – толщина проводника, мм.

Таблица 25 - Основные параметры методов изготовления

Iмах=!.6А Jдоп=48А/мм2 t=1мм

3. Определяем минимальную ширину проводника в мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем :

где, – удельное объемное сопротивление (табл.);

 – длина проводника, м;

– допустимое падение напряжения, определяется из анализа электрической схемы.

Допустимое падение напряжения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения для микросхем и не более запаса помехоустойчивости.

r=0,0175Ом×мм2/м;

t=1мм; L=0,12м;

Uдоп=0.25В;

Iмах=1.6А;

 мм

Ширина печатного проводника принимается равной

B=2 мм

4.  Определяем номинальное значение диаметра монтажных отверстий d:

где, – максимальный диаметр вывода, устанавливаемого ЭРЭ;

– нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия;

– разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ в пределах 0,1¸0,4 мм.

dэ = 0,6 мм;

r = 0,15 мм;

Ddно= -0,05 мм

мм

Из ряда диаметров переходных отверстий по ГОСТТ 10317-79 0.5 выбираем из предпочтительного ряда диаметров отверстий 0.8мм.

3.  Рассчитаем диаметр контактных площадок.

Минимальный диаметр контактных площадок для ДПП, изготавливаемых комбинированным методом:

где, – толщина фольги;

– минимальный эффективный диаметр площадки;

где – расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки;

и – допуски на расположение отверстий и контактных площадок

– максимальный диаметр просверленного отверстия, мм;

мм

мм;

мм

 мм

мм

мм

мм

Максимальный диаметр контактной площадки:

мм

6.  Определяем ширину проводников. Минимальная ширина проводников для ДПП, изготовленных комбинированным позитивным методом, мм:

где– минимальная эффективная ширина проводника;

мм для плат 3-го класса точности

мм

Максимальная ширина проводников:

мм

7. Определяем минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

где – расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

– допуск на расположение проводников (таблица)

мм

модуль электронная вычислительная машина плата

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками:

где,– расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

мм

Минимальное расстояние между двумя проводниками:

где,– расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

мм

Таблица 26 - Допуски на расположение отверстий и контактных площадок

На основании произведенных расчётов параметров печатного монтажа были изготовлены печатные платы и произведён монтаж электронных компонентов.

3.3 Расчёт надёжности

Современная РЭА имеет очень высокую функциональную возможность. При непрерывном усложнении радиотехнических приборов и систем наблюдения происходит диспропорция между темпами роста сложности и покомпонентной надежности РЭА. Особое значение приобретает проблема надежности для систем управления сложными автоматическими процессами, для систем бортовой РЭА. Необходимо также учитывать, что элементной базой для современной специальной аппаратуры являются интегральные микросхемы (ИМС), где отказ каждой из них может привести к выходу из строя аппаратуры в целом. Таким образом, при проектировании РЭА одной из основных задач является задача обеспечения требуемой надежности. В ряде случаев задача обеспечения надежности приобретает первостепенное значение и имеет приоритет перед задачами обеспечения минимальных габаритов, массы и стоимости аппаратуры.

Надежность – свойство выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям пользования. Из определения следует, что надежность является комплексным свойством аппаратуры, которое в зависимости от сложности изделия и условий его эксплуатации может характеризоваться одним или целым набором показателей, основным из которых является безотказность в работе.

Безотказностью называется свойство аппаратуры непрерывно сохранять работоспособность в течение определенного времени.

Вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пределах заданной наработки – отказ не возникнет.

Отказом называется событие, заключающееся в полной или частичной потере работоспособности изделия.

Существуют различные методы повышения надежности. Наиболее жесткие требования по надежности предъявляют к космической РЭА и РЭА специального

назначения. При этом необходимо еще учитывать, что указанные категории аппаратуры, подвергаются сложным климатическим и механическим воздействиям. К общим мерам по обеспечению заданной высокой надежности относятся:

1.  четкая регламентация условий эксплуатации изделий;

2.  выбор для изделия комплектующих элементов обладающих высокой надежностью и стабильностью характеристик;

3.  реализация технологических мероприятий обеспечивающих бездефектное изготовление устройств;

4.  создание системы всесторонних производственных испытаний, обеспечивающих выявление производственных дефектов аппаратуры и ее элементов.

Произведем расчет надежности изделия.

Вначале рассчитаем интенсивность отказов каждой группы элементов. Выбранные по табличным данным значения λoi, для используемых в модуле ЭРИ.

Таблица 27 - Интенсивность отказов каждой группы элементов

Используя полученные данные, определяются интенсивности отказов ЭРИ.

Интенсивность отказов резисторов:

λр= λoр к mр ,1/ч

λр= 0,87*2,07*8= 14,4 *10-61/ч

Интенсивность отказов диодов:

λд= λoд к mд ,1/ч

λд= 0,2*2,07*5= 2,07*10-6 1/ч

Интенсивность отказов конденсаторов:

λк= λoк к mк ,1/ч

λк= 0,04*2,07*28= 2,32*10-6 1/ч

Интенсивность отказов микросхем:

λмкс= λoмкс к mмкс ,1/ч

λмкс= 0,013*2,07*18= 0,48*10-6 1/ч

Интенсивность отказов паяльных соединений:

λпс= λoпс к mпс ,1/ч

λпс= 0,01*2,07*450= 9,32* 10-61/ч

Интенсивность отказов кварца:

λкв= λoкв к mкв ,1/ч

λкв= 0,05*2,07*1=0,1*10-6 1/ч

Определяем интенсивность отказов модуля:

Λ=Σ λi ,1/ч

Λ=14,4 +2,07 +2,32 +0,48 +9,32+0,1=28,69 *10-61/ч

Определяем среднее время наработки на отказ:

Тср. расч=1 / Λ, ч

Тср. расч=1 / 28,69*10-6=34855 час

Определяем вероятность безотказной работы:

Р(t)=е - Λt

Р(1000)=е -28,69*1000 = 0.98

Заключение

В последнее время научно-исследовательские и производственные предприятия радиотехнической и электронной промышленности передовых стран мира тратят много сил и средств на отыскание путей уменьшения габаритов и массы радиоэлектронной аппаратуры. Работы эти получают поддержку потому, что развитие многих отраслей науки и техники, таких как космонавтика, вычислительная техника, кибернетика, бионика и другие, требуют исключительно сложного электронного оборудования. К этому оборудованию предъявляются высокие требования, поэтому аппаратура становится такой сложной и громоздкой, что требования высокой надежности и значительного уменьшения габаритов и массы приобретают важнейшее значение. Особенно эти требования предъявляются ракетной технике. Известно, что для подъема каждого килограмма массы аппаратуры космического корабля необходимо увеличить стартовую массу ракеты на несколько сотен килограммов. Чтобы удовлетворить эти требования, необходимо миниатюризировать аппаратуру. Это достигается несколькими методами конструирования радиоэлектронной аппаратуры.

При микромодульном методе конструирования повышение плотности монтажа достигается за счет применения специальных миниатюрных деталей и плотного их монтажа в микромодуле. Благодаря стандартным размерам микромодули размещаются в аппаратуре с минимальными промежутками.

Применение гибридных интегральных микросхем и микросборок также дало возможность миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры. При использовании микросхем повышение плотности монтажа достигается тем, что на общей изоляционной подложке располагаются в виде тонких пленок резисторы, проводники, обкладки конденсаторов, такой же принцип используются и в устройствах, изготовленных методом молекулярной электроники, при этом для создании пассивных (резисторы и конденсаторы) и активных (диоды, транзисторы) элементов схем используются слои полупроводниковых материалов.

Следующий этап развития технологии производства радиоэлектронной аппаратуры - технология поверхостного монтажа кристалла (ТПМК). ТМПК обеспечивает миниатюризацию радиоэлектронной аппаратуры при росте ее функциональной сложности. Навесные компоненты намного меньше, чем монтируемые в отверстия, что обеспечивает более высокую плотность монтажа и уменьшает массо-габаритные показатели. ТПМК допускает высокую автоматизацию установки электрорадиоэлементов вплоть до роботизации.

Повышение надежности радиоэлектронных устройств, выполненных указанными методами микроминиатюризации, достигается тем, что во первых, все методы основаны на автоматизации производственных процессов, при этом предусматривается тщательный контроль на отдельных операциях.

Вторая причина состоит в том, что в изделиях, изготовленных на базе микросхем, значительно уменьшается количество паяных соединений, которые являются причиной многих отказов. Метод молекулярной электроники исключает отказы, связанные с различными коэффициентами линейного расширения материалов, ибо при этом методе предусматривается, что конструкция выполняется из однородного материала.

Увеличение надежности конструкций, выполненных методами микроминиатюризации, объясняется также гораздо большими возможностями обеспечить защиту от воздействия внешней среды. Малогабаритные узлы могут быть гораздо легче герметизированы, что к тому же увеличит и механическую прочность. Наконец, применение миниатюрных узлов и деталей позволяет лучше решить задачи резервирования как общего, так и раздельного.

Приложения

Приложение А

Опись документов

Приложение B

Перечень элементов

Литература

1.Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры. Под редакцией В.А. Шахнова. Москва, изд. МГТУ им. Баумана. 2002.

2.Е.В. Пирогова. Проектирование и технология печатных плат. М.:Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана,2002

3.Шахнов В.А. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем. Москва, Радио и связь, 1992.

4.Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Москва, РадиоСофт, 2000.

5.Кузнецов С.А. Проектирование печатных плат. Москва, Информатика, 2001.

6.Медведев А.М. Технология производства печатных плат. Москва, Техносфера, 2005.