ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Эскизная проработка вариантов разукрупнения конструкции пакета функциональных ячеек; расчет его массы, объема, теплонапряженности, вибропрочности, плотности упаковки; выявление зависимостей этих параметров от степени планарности конструкции пакета и выбор варианта, удовлетворяющего требованиям ТЗ.

 

1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

 

Главными задачами схемотехнической отработки конструкций РЭС являются выбор метода конструирования и элементной базы и на его основе разбиение электрических схем (структурной, функциональной и принципиальной) на уровни разукрупнения всей конструкции устройства. Форма конструкций РЭС обычно бывает прямоугольной и во многом определяется рядом линейных размеров печатной платы L_x, L_y (рисунок 1), рекомендуемых:

 

 

Платы малой площади: 75х100; 110х135; 130х140; 110х170.

Платы средней площади: 120×170; 140×150; 130×170; 150×170; 160×170.

Платы большой площади: 150×200;135×240; 140×240; 170×200.

Рисунок 1

Печатная плата совместно с размещенными на ней ИС, навесными электрорадиоэлементами ЭРЭ и соединителями представляет собой функциональную ячейку (ФЯ), высота которой определяется, как правило, высотой соединителя h_c, толщиной печатной h и зоной пайки ИС и ЭРЭ на обратной стороне (зоной монтажа выводов) h_m=1.5 мм:

 

где  – число ИС по оси X и их столбцов по оси Y соответственно;

-оператор целочисленного значения с округлением в сторону уменьшения числа в створках;

– краевое поле платы, зависящие от ее толщины и типа корпуса ИС (смотрите приложение 1);

– краевые поля для размещения соединителя и контрольной колодки соответственно (в данной работе колодка не предусмотрена, поэтому,  (смотрите приложение 1);

– соответственно размеры корпусов ИС и шаги их установки по осям x, y и зависящие от типа корпусов и среднего числа задействованных выводов (смотрите приложение 3).

Общее количество ячеек, требуемых для размещения всех ИС, округляемое при расчете в большую сторону, будет:

 

 

где – число элементов в одной ИС (приложение 4).

Другие не менее важные показатели качества – это вибропрочность и теплонапряженность, которые определяются требованиями ТЗ на эксплуатацию. В требованиях ТЗ на вибропрочность указываются диапазон частот внешних вибрационных воздействий f_min…f_max допустимая перегрузка n_тз в этом диапазоне. Величина перегрузки равна отношению виброускорения к ускорению свободного падения. При совпадении частоты внешних колебаний с частотой собственных колебаний конструкции возникает явление резонанса, при котором амплитуда колебаний элементов конструкции возрастает в (коэффициент динамичности конструкции) – раз. Это может привести к поломке выводов ИС, разрушению паяных соединений, обрыву печатных проводников, поломке несущих конструкций и т.п. В области высоких частот (f > 0.5…1 кГц) наиболее опасными являются знакопеременные усталостные напряжения в конструкции, поэтому здесь накладываются ограничения на виброскорость v.

В технических условиях на микросхемы оговариваются ограничения на вибрационную перегрузку n (приложение 4) Исходя из ограничений на амплитуду колебаний элементов конструкции А, на виброскорость v и на перегрузку n, для конструкций РЭС на печатных платах, для которых коэффициент динамичности , можно определить допустимые уровни вибрационных перегрузок на резонансной частоте. Из этих трех величин нужно выбрать наименьшую n_{доп мин} и сравнить ее с уровнем перегрузок по ТЗ. Если n_{доп мин} больше, то аппаратура вибропрочна, если меньше, то нет. Значения допустимых перегрузок на резонансной частоте конструкции при ограничениях на А, V и n определяются по формулам:

 

(1.12)

 

где g – ускорение свободного падения.

Значения допустимых амплитуды и виброскорости для микроэлектронных средств бортового типа обычно заданы следующими ограничениями:  .

Собственная частота платы рассчитывается по формуле:

 

 

 

где h – высота печатной платы;

m_j – распределенная масса пластины с учетом установленных ИС, кг/м²:

 

 

Значения  определяются из таблицы 1.1.

Таблица 1.1

 

№ варианта	Способы закрепления сторон платы				Значение коэффициентов
	1	2	3	4	K
1	О	О	О	О	9.87	2	1
2	З	О	О	О	9.97	2.33	2.44
3	З	О	З	О	9.87	2.57	5.14
4	З	З	З	З	22.37	0.61	1
5	З	З	З	С	3.52	5.97	40.5
6	C	З	С	З	22.37	0	0
7	C	О	С	З	15.42	0	0
8	O	С	О	З	9.87	0.6	1.26
9	В четырех точках по углам				9.87	2	1

 

– цилиндрическая жесткость пластины, Hм;

– соответственно модуль упругости, Hм², и коэффициент Пуассона материала платы (приложение 5);

– коэффициент, зависящий от способа закрепления и соотношения сторон платы (a=L_x; b=L_y):

 

(3.13)

 

ПРИМЕЧАНИЯ:

1. Условно принята нумерация сторон платы: 1-верхняя; 2,4 – боковые (правая или левая); 3-нижняя.
2. Обозначение способов закрепления: C – сторона свободна (не закреплена); О – сторона оперта (закреплена не жестко); З – сторона защемлена (закреплена жестко).

Теплонапряженность конструкции определяет ее тепловой режим. Она выражается поверхностной (Вт/м²) или объемной (Вт/м³) плотностью теплового потока при заданном перегреве. В данной работе будем пользоваться первой характеристикой и обозначим ее . Для микроэлектронных блоков РЭС, работающих в диапазоне температур окружающей среды от 20 до 60 ºC при допустимом перегреве корпуса не более 20 ºC, эта величина не должна превышать 200 Вт/м², в случае естественного воздушного охлаждения. Рассеиваемая мощность , где Р₀ -потребляемая мощность.

Для обеспечения нормального теплового режима пакета ФЯ необходимо соблюдение условия . Форма конструкции (в данном случае пакета ФЯ) оказывает существенное влияние как на критерий вибропрочности, так и на критерий теплонапряженности. В прошлых работах показано это влияние на параметры блоков в виде математического и графического представлений, при этом введено понятие коэффициента планарности конструкции:

 

(1.14)

 

где  -сторона эквивалентного куба, то есть аналога конструкции с равным объемом;

-высота корпуса конструкции.

В нашем случае ; .

Площадь теплоотдачи аналога кубической формы , а площадь теплоотдачи конструкции пакета прямоугольной формы, как показано в предыдущих работах:

 

(1.15)

 

Из выражения (1.15) видно, что при отклонении коэффициента планарности от единицы как в большую, так и в меньшую сторону, то есть отходе от куба, площадь теплоотдачи возрастает, а следовательно, теплонапряженность конструкции уменьшается.

При увеличении коэффициента планарности площадь ФЯ возрастает, а следовательно увеличивается и большая ее сторона (смотрите формулу 1.13). Поскольку при увеличении планарности материал, толщина печатной платы и вид закрепления пластины в большинстве случаев не меняются, можно утверждать, что изменение собственной частоты пакета относительно пакета кубической формы обратно пропорционально коэффициенту планарности из работы [3]. Изменения же собственной частоты будут влиять на уровень допустимых перегрузок либо в прямой пропорции, либо в квадрате (смотрите формулы 1.12). При сильном “расплющивании ” куба в пластину вибропрочность ФЯ резко падает.

Таким образом, с увеличением степени планарности конструкции тепловая напряженность уменьшается, а допустимая величина перегрузки при вибрациях падает. Поэтому для обеспечения обоих условий по ТЗ:  и  должны быть определены границы допуска на коэффициент планарности, то есть выявлена такая форма конструкции, которая удовлетворяла бы обоим критериям одновременно. При этом немаловажную роль играет величина плотности упаковки. Поэтому если существуют два варианта назначения допуска на коэффициент планарности, то надо выбрать тот, где эта величина выше.

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

 

1. Ознакомиться с общими сведениями, рекомендуемой литературой и порядком выполнения работы.
2. Подобрать необходимый справочный материал для расчетов по заданным исходным данным.
3. Рассчитать для заданных вариантов размеров печатных плат объем и удельную мощность рассеивания пакета ФЯ.
4. Рассчитать массы и показатели вибропрочности (резонансные частоты и допустимые перегрузки) для этих вариантов.
5. Рассчитать плотность упаковки и коэффициенты дезинтеграции масс и объемов заданных частот.
6. Построить графики выявить оптимальное значение коэффициента планарности и выбрать вариант конструкции пакета ФЯ, удовлетворяющего требованиям ТЗ.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

 

1. Получить у преподавателя задание (см.табл.1.3) , содержащее 3 варианта типоразмеров печатных плат, определяющих варианты разукрупнения конструкции пакета ФЯ, с указанием серии и общего количества интегральных схем в пакете; среднего числа задействованных выводов микросхем; допустимой удельной мощности рассеивания; допустимой амплитуды и виброскорости для элементов, установленных на платах; количества внешних контактов ячеек; способа закрепления плат в пакете; толщины печатных плат. Дальнейшие расчеты выполнять с применением ПЭВМ.
2. Определить среднюю мощность потребления ИС Р_ис ( использовать приложение 4)
3. Подобрать тип соединителя в соответствии с требуемым числом контактов (приложение 6), найти его габариты L_c, h_c.
4. Определить по приложениям 3,4 тип, габаритные размеры корпуса микросхем l_x, l_y и шаги установки микросхем на плате t_x, t_y.
5. По приложениям 1,2 установить размеры краевых полей x₁, x₂, y₁, y₂.
6. Вычислить мощность, рассеиваемую пакетом ячеек, где, Р_ис – средняя мощность потребления одной ИС (приложение 4).
7. Для каждого типоразмера платы рассчитать число микросхем на плате по формулам (3.3), (3.4), общее количество ячеек в пакете по формуле (3.5).
8. Определить габариты ячейки и пакета ячеек L_x, L_y, h_я, H_п по формулам (3.1) и (3.2), массу и объем пакета ячеек, коэффициенты дезинтеграции массы и объема – по формулам (3.6 – 3.10), плотность упаковки – по формуле (3.11). Длину и ширину пакета ячеек считать равной длине и ширине печатной платы функциональной ячейки 4.
9. Рассчитать коэффициент планарности конструкции пакета ячеек (3.14)
10. Вычислить площадь теплоотдачи пакета ячеек, имеющего форму параллелепипеда и поверхностную плотность теплового потока .
11. Рассчитать по приведенной методике значение собственной частоты ячеек f₀ и значения допустимых перегрузок по формулам (3.12).
12. Занести рассчитанные значения в таблицу 3.2.
13. Повторить пункты 7 – 12 для других типоразмеров плат.
14. Построить график зависимостей величин от коэффициента планарности k₂.
15. По графику определить диапазон значений k₂, удовлетворяющих одновременно критериям тепловой напряженности и вибропрочности, выбрать оптимальное значение k₂ по критерию плотности упаковки; определить соответствующий этому значению типоразмер платы; выполнить эскиз конструкции ФЯ и пакета ячеек.
16. Оформить отчет по работе и представить его преподавателю для защиты.

 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА.

 

1. Техническое задание на конструирование ячеек.
2. Расчеты конструктивных параметров и показателей качества вариантов конструкции на платах различных типоразмеров; результаты расчетов, сведенные в таблицу по форме в таблицу 1.2.
3. Графики зависимостей величин от коэффициента планарности k₂.
4. Эскизы конструкций ФЯ и пакета ячеек с указанием размеров, выполненные с соблюдением требований ЕСКД на листах миллиметровой бумаги или ватмана стандартного формата.
5. Выводы по работе.

 

Таблица 1.2.

 

№ варианта	1	2	3	4	5	6	7
Размеры платы, мм
Lx
Ly
Кол-во в пакете ячеек, шт
Кол-во ИС в ряду, шт
Кол-во рядов ИС, шт
Объем пакета ячеек, дм
Масса пакета ячеек, г
Коэффициент дезинтеграции:
qv
qm
Плотность упаковки, эл/см
Коэфф. планарности
Резонансная частота, Гц
Допустимые перегрузки:
nA
nv
na
Поверхностная плотность теплового потока, Вт/дм

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

 

1. Какие требования должны учитываться при выборе оптимального варианта конструктивного разукрупнения ?
2. Как определяется вибропрочность ячеек ?
3. Дайте определение показателей качества конструкции: коэффициента дезинтеграции, плотности упаковки.
4. От чего зависит допустимая рассеиваемая мощность конструкции ?
5. Как форма пакета ячеек влияет на вибропрочность и теплонапряженность конструкции ?
6. Как рассчитываются массогабаритные характеристики пакета ФЯ ?

 

Таблица 1.3: Варианты заданий.

 

Вариант	LX1	LY1	LX2	LY2	LX3	LY3	Nис
1	50	70	100	150	200	230	10
2	60	80	110	130	250	220	15
3	75	130	50	70	180	200	12
4	70	95	100	120	150	170	18
5	90	140	170	180	130	200	15
6	140	70	80	150	210	230	10
7	110	150	140	170	190	230	17
8	70	120	90	150	110	210	12
9	90	120	250	280	170	240	16