Конструирование радиоэлектронной аппаратуры (стр. 2 )

– по мощности:

а) малой мощности (серия 100-300);

б) средней мощности (серия 400-600);

в) большой мощности (серия 700-900);

– по частоте:

а) низкочастотные (НЧ);

б) среднечастотные (СЧ);

в) высокочастотные (ВЧ);

г) сверхвысокочастотные (СВЧ).

В каждой из классификационных групп транзисторы классифицируются по коллекторному напряжению (обозначается буквой алфавита).

2 Монтаж и компоновка электронных блоков, выполненных на дискретных элементах

2.1 Типы электромонтажа

Качество передачи потоков информации и энергии в приборах во многом зависит от разводки электромонтажа. С учетом разнообразия конструктивных решений приборов и требований к ним были разработаны варианты соединения электрорадиоэлементов в приборах (рисунок 4).

При фиксированном электромонтаже проводники не меняют своего положения, а при гибком могут перемещаться.

Рисунок 4 – Схема классификации электромонтажа

Свободный электромонтаж производится отдельными проводами, укладываемыми по кратчайшему пути между электромонтажными точками (рисунок 5). В электронных приборах, отличающихся высокой рабочей частотой и плотностью мощности, свободный электромонтаж позволяет снизить емкостные и индуктивные паразитные связи. Такая разводка удобна для автоматизации процесса электромонтажа. На рисунке 2, в показана разводка электромонтажа монтажных сторон электрических соединителей печатных плат. Соединение монтажных проводов с хвостовиками контактных гнезд осуществляется накруткой.

а) б) в)

а — общий случай; б — проводами минимальной длины; в — пример свободного электромонтажа; 1 — розеточная часть электрического соединителя; 2 — хвостовик контактной гнезда; 3 — вилочная часть электрического соединителя; 4 — печатная плата

Рисунок 5 — Свободный электромонтаж

Кабельный электромонтаж предусматривает упорядоченную разводку проводов, связанных в жгут (жгутовый и канальный электромонтаж) или имеющих вид формованного кабеля. Монтажные провода, идущие в одном направлении, увязывают в общий жгут с помощью ниток, поливинилхлоридной ленты и др. (рисунок 6). Разновидностью является канальный монтаж, при котором провода укладываются в пластмассовые или металлические каналы прямоугольного или круглого сечения открытые или закрытые (рисунок 7).

а) б)

Рисунок 6 - Жгут, увязанный нитью (а) и поливинилхлоридной лентой (б)

а) б) в)

а – открытый; б – прямоугольного поперечного сечения со съемной крышкой; в – в виде трубы с прорезью

Рисунок 7 – Каналы для канального электромонтажа

Формованный кабель представляет собой предварительно увязанный жгут (рисунок 8).

а) б)

Рисунок 8 – Внешний вид (а) и схема разводки (б) формованного кабеля

Преимуществами жгутового монтажа являются легкость и нагляд­ность разводки проводников, недостатками — емкостные и индуктивные связи между проводниками в жгуте. Этот способ можно использовать только в низкочастотных каскадах.

Электромонтаж ленточным кабелем является плоским электромонтажом, выполняемым укладкой отдельных проводов в одной плоскости. Провода скрепляются между собой. В современных приборах широкое распространение получили ленточные кабели из склеенных проводов с пластмассовой изоляцией (рисунок 9, а). Благодаря гибкости эти кабели используются для подвижных узлов (рисунок 9, б), а также для соединения узлов, выводы которых расположены с определенным шагом и в определенной последовательности (например, в прямоугольном электрическом соединителе). Экранирование отдельных проводов можно обеспечить заземлением одного или нескольких проводов.

Печатный электромонтаж в отношении достижимых электрических и механических параметров, функциональной надежности и возможности автоматизации изготовления является самым современным способом монтажа. На жесткое или гибкое основание с помощью различных технологий наносятся пленочные проводники, в результате чего получают готовую структуру для монтажа узла или прибора, относящуюся к классу плоского электромонтажа.

Гибкий печатный монтаж в основном соответствует кабелям, поскольку в противоположность жестким печатным платам он дополнительно не обеспечивает опоры для ЭРЭ. В качестве материала основания применяются полиэфирная, полиамидная, эпоксидная (арми­рованная стекловолокном), фторопластовая пленки, на которые с одной или с обеих сторон наносятся печатные проводники. Благодаря изоляции проводников дополнительным покровным слоем пленки такой кабель обладает высокой стойкостью к химическим и климатическим воздействиям, а также отличается высокими электрическими свойствами и способен выдерживать различные механические нагрузки. Его можно изгибать, складывать, перекручивать, скручивать в рулон.

а) б)

Рисунок 9 - Ленточный кабель из склеенных проводов с пластмассовой изоляцией (а) и функциональные узлы, соединенные ленточным кабелем (б)

Гибкий печатный ленточный кабель по своим свойствам и способу применения аналогичен ленточному кабелю. Он присоединяется к концам печатных проводников или вводится в монтажные отверстия.

Гибкий печатный формованный кабель по форме и свойствам аналоги­чен обычному формованному кабелю. Путем надрезания такого кабеля и отгиба соответствующих проводников можно легко осуществить монтаж объемного узла. Дополнительными преимуществами являются значитель­ное снижение перекрестных помех, меньшая требуемая площадь и малая масса.

Гибкая печатная схема, как и жесткая печатная плата, представляет собой средство электромонтажа, изготовляемое для специальных случаев применения, например, для коммутации нескольких печатных плат. Такой монтаж требует малого объема и обеспечивает подвижность печатных плат.

Жесткий печатный электромонтаж может быть выполнен с помощью стан­дартной печатной платы с электрическим соединителем (типовой элемент замены), с помощью печатной платы, разработанной специально для данного прибора, а также с помощью объединительной печатной платы. Объединительная плата устанавливается вместо проводов, сое­диняющих выводы электрических соединителей типовых элементов замены. Печатные проводники проложены в многослойной печатной плате в нескольких плоскостях по самым коротким путям.

Объединительные платы, на которых установлены розеточные части электрических соединителей, называются панелями. Размеры плат со­ответствуют международным стандартам. Решающим пре­имуществом объединительных печатных плат являются их электрические свойства. При соответствующей конструкции цепи передачи пото­ков энергии и сигналов проводники могут быть разнесены по различным уровням и с помощью дополнительных экранов отделены один от другого. Благодаря этому обеспечивается защита отдельных проводни­ков от перекрестных помех. Иногда объединительная плата изготовляется с помощью изолированных проводов, укладываемых в несколько слоев на основание, покрытое клеем.

2.2 Конструирование печатных плат. Исходные понятия,
терминология

Структура современной радиоэлектронной аппаратуры имеет две параллельных ветви (использование печатных плат и интегральных плат). Для нас интересна ветвь, использующая печатные платы, которая состоит из цепи:

– печатные платы(ПП);

– печатные узлы (ПУ);

– электронные модули (М1);

– электронные блоки (М2).

В указанной цепи могут отсутствовать такие структурные элементы, как модуль или блок, когда печатный узел без дополнительных переработок входит в составные части третьего структурного уровня (пульт, моноблок).

Печатный узел является первой и самой сложной многоэлементной единицей РЭА, объединяющей множество элементов электрической схемы функционального узла. Эти элементы должны быть не только электрически соединены между собой в сложных сочетаниях, но и механически закреплены, чтобы противостоять механическим воздействиям во время эксплуатации. Кроме того, что очень важно, конструкция этих соединений должна быть пригодна для применения групповых технологических операций при изготовлении. Печатный узел отвечает этим требованиям.

Необходимо установить исходную терминологию. Выделим 8 основных терминов.

Печатный узел (ПУ) – печатная плата со всеми электрически и механически присоединенными к ней навесными элементами и всеми выполненными операциями обработки т. е. пайка, покрытие, обозначение.

Печатная плата (ПП) – это листовой материал, вырезанный по определенному размеру, содержащий необходимые отверстия и рисунок, обеспечивающий в дальнейшем электрическое и механическое соединение навесных элементов.

Основание ПП – листовой материал, вырезанный по определенному размеру и подготовленный для того, чтобы нести на себе рисунок и навесные элементы.

Заготовка ПП – это листовой материал с поверхностью в состоянии поставки, подлежащий разрезке по размеру основания ПП.

Рисунок ПП – это конфигурация проводникового или изоляционного слоя.

Проводящий рисунок ПП образован проводниковым материалом, который является печатным проводником.

Печатный проводник – непрерывная проводящая полоска или площадка в проводящем рисунке.

Контактная площадка – это часть печатного проводника на поверхности, в отверстии или в толще основания, используемая для соединения навесных элементов или для контрольных подсоединений.

Листовой материал основания и заготовки может быть в зависимости от поставленных перед конструктором задач изоляционным полимерным, фольгированным полимерным или металлическим. Печатная плата, несмотря на множество проводимых с основанием операций и приобретаемую при этом сложную структуру, остается, как правило, деталью, поскольку не требует при своем изготовлении сборочных операций.

Модули первого уровня (Ml) образуются путем сборки УП с базовой несущей конструкцией. Несущей конструкцией называют механическую сборочную единицу, предназначенную для размещения, закрепления и защиты от внешних воздействий функциональных узлов в заданных условиях эксплуатации. Несущую конструкцию, принятую за исходную при разработке модификаций конструктивных решений, называют базовой несущей конструкцией (БНК).

Модулем называют функционально и конструктивно завершенную стандартизованную часть какого-либо технического решения, предусматривающего многократное повторение этой части. В конструкции РЭА модуль может выполнять роль типового элемента замены (ТЭЗ). ТЭЗ есть минимальная составная часть РЭА 1-го и более высоких уровней, которая при ремонте агрегатным способом может быть заменена на запасную без подгоночных операций, отвечая требованиям взаимозаменяемости.

Электронным модулем называют функционально и конструктивно завершенную часть конструкции РЭА, выполненную на БНК 1-го уровня, содержащую один или несколько печатных узлов, электрический многовыводный соединитель и кодовый ключ. Кодовый ключ представляет собой элемент конструкции, обеспечивающий однозначность установки сборочной единицы при сопряжении соединителя с ответной частью, размещенной на несущей конструкции следующего уровня. Функциональная завершенность означает способность реализовать без дополнительных средств заданное число радиотехнических или электронно-вычислительных функций. Конструктивная завершенность означает возможность механической фиксации и электрического подключения без помощи дополнительных средств.

БНК-1 (базовая несущая конструкция 1-го уровня) представляет собой кассету – вставную каркасную конструкцию, предназначенную для размещения печатных узлов. Помимо каркасной, существует бескаркасная несущая конструкция – несущая конструкция, прочность и жесткость которой обеспечиваются совокупностью составляющих ее элементов при отсутствии каркаса. Примером бескаркасной несущей конструкции может служить печатный узел, снабженный элементами крепления и электрического соединения и применяемый без кассеты. Такой печатный узел носит название ячейки.

2.3 Критерии выбора конструкции печатных плат

При конструировании печатных плат используются четыре главных критерия выбора: габаритный критерий, критерий плотности рисунка и толщины – проводящего слоя, критерий числа слоев, критерий материала основания. Помимо главных критериев, должны учитываться вспомогательные, которые служат для проверки и уточнения, с несложной коррекцией конструкции, выбранных по главным критериям решений. К вспомогательным критериям относятся электрические ограничения по паразитным параметрам, тепловые ограничения, ограничения по массе, по трудоемкости изготовления, по безотказности, ремонтопригодности и др. В комплексности использования всех имеющих отношение к делу критериев состоит, как известно, успех конструирования.

Габаритный критерий. Выбор габаритов ПП (длина а и ширина б) связан с разбиением электрической схемы блока на функционально законченные части. Наиболее отчетливо эта связь заметна в электрических схемах с регулярной структурой, что типично для цифровой техники. В таких схемах легко выделить многократно повторяющиеся части, мало отличающиеся друг от друга. При уточнении электрической схемы эти различия следует убрать, введя избыточность в те схемы, где дополнительные элементы отсутствуют. Если же дополнительные элементы могут помешать, то предусматриваются проволочные перемычки, которые могут быть легко устранены. В результате выявляются части электрической схемы блока, которые могут быть выполнены на ПП и использованы в данном блоке несколько раз. Следует оценить возможность унификации такой схемы и за пределами блока. Таких ПП может быть выделено несколько. Их выполняют в виде электронных модулей, и при эксплуатации РЭА они играют роль типовых элементов замены ТЭЗ, входящих в ЗИП.

Длина ПП обычно регламентирована с учетом размера электрического соединителя и составляет а = 170 мм. Ширина b составляет 75 мм; 120 мм (только для морской и самолетной РЭА); 150 мм; 200 мм. Разрешенный к применению размер b = 150 мм предпочтительно заменять двумя стандартными платами размером 75 мм.

Предпочтительным является типоразмер ПП 170х75 мм. Этот наименьший типоразмер из рекомендуемого ряда выгодно сочетает в себе все преимущества ПП малых размеров с достаточно большой полезной площадью. Размерные преимущества малых ПП перед большими проявляются в ослаблении отрицательного влияния таких явлений, как коробление, ухудшенный теплообмен в центре платы, пониженная ремонтопригодность.

Коробление ПП происходит вследствие слоистой структуры основания, содержащего диэлектрические и проводящие (металлические) слои, расширение которых при нагревании и сжатие при охлаждении различно. Чем больше длина платы, тем коробление значительнее, т. е. больше опасность обрыва проводников, замыкания, отрыва паяных контактов при температурных деформациях. Температурные деформации относятся к медленно действующим механическим деформациям. Динамические деформации в результате вибрационных и ударных перегрузок и линейных ускорений, передаваемых на ПП от объекта, на котором установлена РЭА, также уменьшаются с уменьшением размера ПП.

Ухудшение теплоотвода из центра платы, протекающего по механизму теплопроводности, наблюдается с увеличением размеров ПП. Это вызвано увеличением пути теплостока к краю ПП, где осуществлен основной тепловой контакт с корпусом блока, который по отношению к массе ПП играет роль бесконечного радиатора.

Заниженная ремонтопригодность платы большого размера связана с тем, что затрудняется поиск неисправности, а при агрегатном способе ремонта путем замены велика стоимость такого большого печатного узла.

Вместе с тем надо учитывать, что при использовании нескольких малых ПП вместо одной большой неизбежно выявляются два отрицательных момента:

1) требуются дополнительные переходные контакты или соединители разъемного типа, что повышает трудоемкость сборки и может снизить безотказность;

2) требуется больше крепежной арматуры, что также повышает трудоемкость и, кроме того, повышает массу.

Поэтому в технически обоснованных случаях ряд рекомендованных типоразмеров ПП нарушается в сторону увеличения размеров сторон, в том числе и стороны а. Это допускается, когда модуль и блок вырождены и печатный узел поступает на сборку непосредственно в моноблок, пульт и т. д. Примером могут служить ПП для телевизоров, вещательных приемников и других устройств, не подвергаемых большим тепловым ударам и механическим воздействиям.

Критерий плотности рисунка и толщины проводящего слоя.

Предыдущий габаритный критерий тесно связан с той плотностью, с какой может быть выполнен рисунок. По ГОСТ 23751–79 установлены три класса плотности рисунка (таблица 1).

Шириной печатного проводника (или, сокращенно, шириной проводника) t называют поперечный размер проводника на любом участке в плоскости основания (неровности края во внимание не принимаются). Расстоянием между проводниками s называют расстояние между краями соседних проводников на одном слое ПП. В свободных местах рисунка (не в узкостях) s ≥ smin; t ≥ 1,5tmin.

Разрешающей способностью рисунка R называют число полос (линий) равной ширины, укладывающееся на 1 мм при шаге укладки, равном двойной ширине полосы. В рисунке ПП за линию принимают проводник.

Таблица 1 – Геометрические размеры трех классов плотности рисунка ПП

Класс плотности	Плотность	Ширина проводника tмин , мм	Расстояние между проводниками Sмин , мм	Разрешающая способность R, линий/мм	Предельные размеры ПП (а или b), мм
1	Малая	0,5	0,5	1,0	Без ограничений
2	Средняя	0,25	0,25	2,0	240
3	Большая	0,15	0,15	3,33	170

Разрешающая способность рисунка ПП

R = 1/ (tmin +Smin),

где tmin – минимальная ширина проводника, допускаемая в узкостях рисунка, мм;

Smin – минимальное расстояние между проводниками, допускаемое в узкостях рисунка, мм (tmin = Smin).

Выбранный конструктором класс плотности рисунка должен быть проверен по норме допустимых рабочих напряжений для проводников, лежащих в одной плоскости, а также по плотности тока (из расчета предельной допустимой плотности тока в печатном проводнике 20 А/мм2) и по допустимым потерям на постоянном токе (таблица 2).

Плотность тока и потери зависят от толщины проводящего слоя, которая регламентирована тремя значениями: 10, 20 и 35 мкм. Если потери не существенны для работы электрической схемы (но не для сигнальных цепей, когда падение напряжения сигнала может уменьшить отношение сигнал-шум), то конструктор должен предпочитать толщину 10 мкм для повышения точности и для экономии меди. Плотность тока, если она окажется недостаточной из расчета принятого выше значения 20 А/мм2 , может быть увеличена на порядок при переходе на металлическое основание.

Таблица 2 – Электрические параметры трех классов плотности рисунка ПП

Класс плотности	Предельное рабочее напряжение	Предельный ток, мА	Погонное сопротивление, мОм/мм
при толщине проводящего слоя, мкм
10	20	35	10	20	35
1	100	80	160	260	4,0	2,0	1,1
2	30	40	80	130	8,0	4,0	2,3
3	20	25	50	80	13,2	6,6	3,8

Критерий числа слоев. По числу слоев различают односторонние (ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП) печатные платы. Односторонней называют ПП с проводящим рисунком на одной стороне основания, в отличие от двусторонней, где рисунок выполнен на обеих сторонах. Многослойной называют ПП, состоящую из чередующихся изоляционных слоев с нанесенными на них проводящими рисунками, причем между рисунками выполнены необходимые межслойные соединения.