Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЭВМ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ 1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭВМ 1.1 ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Современное состояние разработки и производства средств ВТ характеризуется повышением функциональной сложности, уровня интеграции, быстродействия и тепловыделения элементной базы, что, естественно, приводит к увеличению сложности конструкции и повышению требований к их производству, эффективности работы и т.д. Налицо тенденция усиления взаимосвязи решений схемотехнических вопросов проектирования и конструкторско-технологических. Появился термин «электронное проектирование», отражающий данную взаимосвязь и подчеркивающий, что конструкцию узлов и устройств ЭВМ в процессе развития элементной базы и повышения сложности изделий стали определять не только механические, технологические и надежностные параметры ЭВМ, но и электронные. На первый план выходят задачи обеспечения быстродействия, помехоустойчивости, электромагнитной и тепловой совместимости, технологичности, стоимости, поэтому основополагающим в современных разработках является принцип системного подхода. Рассмотрим основные термины и определения. Человечество характеризуется ростом своих потребностей и использованием для их удовлетворения орудий производства – изделий, под которыми понимаются машины, оборудование, устройства и т.д. рост потребностей обуславливает производство все новых изделий, определяющих связь человека с человеком и окружающей средой, в том числе ЭВМ. В свою очередь изделия влияют на жизнь человека. Жизненный цикл изделия ПРОЕКТИРОВАНИЕ --- ИЗГОТОВЛЕНИЕ --- ЭКСЛУАТАЦИЯ --- УТИЛИЗАЦИЯ--ПОТРЕБНОСТЬ ---ПРОЕКТИРОВАНИЕ и т.д. Основу проектирования составляет формальное описание потребности. Проектирование-разработка основных показателей того изделия, для которого оно производится и путей их практической реализации. В результате проектирования реализуется КОНСТРУКЦИЯ – искусственно создаваемая человеком совокупность тел и веществ, имеющая законченные формы, характеризующаяся определенными параметрами и предназначенная для выполнения необходимых функций в заданных условиях. Конструкция – понятие, всегда связаное с активной деятельностью человека. Говорят о конструкции ЭВМ, но не говорят о конструкции камня. Конструкция определяется свойствами и параметрами изделия. Основные свойства конструкции зависят от взаимосвязи составных частей изделия, от связи изделия с окружающей средой и человеком. Свойства и параметры конструкции постоянно изменяются и определяют существенные воздействия на конструкцию. ПРОЕКТИРОВАНИЕ- запись конструкции с установлением размеров, форм, обработок и др. параметров в конструкторской документации. Независимо от вида записи конструкция, переданная для изготовления на производство, характеризует свойства, структуру и состав будущего изделия. ТЕХНОЛОГИЯ – совокупность производственных процессов и документов на изготовление изделия, а также научные описания способов производства. Технология производства базируется на способах изменения физико-химических свойств, формы, размеров, структуры и состава исходных материалов. При выполнении ряда технологических обработок получают готовое изделие. Любое производство имеет свои особенности, которые представляют возможности выполнения норм, заданных в ТД, разработанной при проектировании. Чтобы производство было экономичным, его результаты давали высокие количественные и качественные показатели изделия, нужно, чтобы Конструкции была технологичной, т.е. изготавливалась с минимальными затратами материалов, энергии и труда. Поэтому существенна связь конструкции с производственным процессом, приводящая к влиянию на технологические свойства и параметры изделия. Износ, моральное старение, и др. факторы, проявляющиеся при эксплуатации и хранении изделий, приводят к необходимости утилизации. Итак, этапы рождения, жизни, смерти изделия взаимосвязаны, поэтому решение задач по их оптимальному конструированию и производству взаимосвязаны. Такой подход к проектированию называется системным. Напомню, под ЭВМ обычно понимают совокупность ЭВС, соединенных необходимым способом, способных получать, запоминать, преобразовывать и выдавать информацию с помощью логических и вычислительных операций по определенному алгоритму или программе. 1. 2 КОНСТРУКЦИЯ ЭВМ. ПОКАЗАТЕЛИ КОНСТРУКЦИИ Конструкция ЭВМ – изделие, представляющее собой систему различных по природе деталей с разными физическими свойствами и формами, определенным образом объединенных между собой механически и электрически, способную выполнять назначенные функции с необходимой точностью и надежностью в условиях внешних воздействий. Большое разнообразие конструкций на рынке требует знание показателей, по которым можно было бы сравнить разрабатываемую модель с уже существующими. Конструкция ЭВМ может быть охарактеризована показателями, отражающими их потребительские свойства. К таким показателям относятся: 1. Сложность конструкции ЭВМ: СЭВМ=k1(k2NЭ+k3MC) где NЭ - число элементов, составляющих ЭВМ; k 1 - масштабный коэффициент; k 2, k3 - весовые коэффициенты; MC - число соединений. Выражение связывает число элементов (микpосхем, полупроводниковых приборов, пассивных элементов, элементов коммуникации) с числом разъемных и неразъемных соединений, что определяет габаритные размеры, надежность, другие параметры ЭВМ. 2. Число элементов NЭ : kn Ny N Э   nij i 1 j1 где Ny, kn , nij - число устройств в ЭВМ, типов элементов, элементов i- того типа, входящих в j-e устройство. 3. Объем ЭВМ: V = VN + VMc + Vн + Vут, где VN - общий объем всех ИС,дм3; VMc - объем соединений,дм3 ; Vн - объем несущей конструкции, обеспечивающей прочность и защиту ЭВМ, дм3 ; Vут - объем теплоотводящего устройства, дм3 . 4. Коэффициент интеграции или коэффициент использования физического объѐма: qн = VN/V. qн всегда меньше 1 или pавен 1 в случае применения однокристальной микро-ЭВМ. 5. Общая масса ЭВМ определяется суммой масс всех устройств, входящих в ЭВМ: m = mN + mMc + mн + mут, где mN - масса всех микросхем; mMc - масса всх соединений; mн - масса несущей конструкции; mут - масса теплоотводящей конструкции. 6. Общая мощность потребления ЭВМ: N P   Pi i 1 где Pi - мощность потребления i-го устройства. 7. Общая площадь, занимаемая ЭВМ: Ny Q   Qi i 1 где Qi - площадь, занимаемая i-ым устройством, м2; Ny - число устройств, составляющих ЭВМ. 8. Собственная частота колебаний конструкции: f0  1 2 kж m где kж - коэффициент жесткости конструкции; m - масса конструкции, кг. 9. Веpоятность безотказной pаботы: n P  exp(  i t ) i 1 где i - интенсивность отказов компонентов; t - вpемя pаботы ЭВМ; n - число компонентов. Важнейшим условием при конструировании и производстве ЭВМ является обеспечение качества конструкции. Качество ЭВМ – это результат не только производственного процесса, оно формируется на всех этапах конструирования и эксплуатации. Показатели качества конструкции подразделяется на несколько групп. Основными являются показатели назначения, надежности, технологичности, стандартизации и унификации, эргономические, эстетические, патентно-правовые, экологические, экономические. ПОКАЗАТЕЛИ НАЗНАЧЕНИЯ описывают эффект от использования ЭВМ по назначению и область ее применения. Показывают функциональные возможности, техническое совершенство, назначение ЭВМ, состав и структуру. Такими показателями являются технические характеристики: принцип управления, система команд, производительность, способ представления данных, разрядность, вид памяти и ее характеристики, количество и характеристики периферийных устройств и т.д. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ характеризуют возможность выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в необходимых пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта и хранения и транспортировки. Наиболее важными являются показатели безотказности, долговечности, сохраняемости, ремонтопригодности, которые характеризуют противодействие конструкции внешним воздействиям и создание благоприятных условий для предупреждения и обнаружения причин повреждения и их устранения. ПОКАЗАТЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ характеризуют эффективность конструкторскотехнологических решений для обеспечения высокой производительности труда при изготовлении, эксплуатации и ремонте изделий ЭВМ. Технологичность в принципе определяет экономическую целесообразность выпуска изделий в производство. Технологичность имеет качественную и количественную оценку. ПОКАЗАТЕЛИ СТАНДАРТИЗАЦИИ И УНИФИКАЦИИ характеризуют степень использования в конкретной ЭВМ стандартизованных деталей, узлов, блоков и других компонентов, а также уровень унификации составных частей конструкции. Унификация – низший уровень стандартизации - заключается в уменьшении многообразия конструкций, выполняющих в ЭВМ одинаковые или сходные функции. Унификации подвергаются механические детали, несущие конструкции, элементная база. Стандартизация – завершающая стадия унификации, обеспечивает совместимость и взаимозаменяемость конструкции. Оценивается показателями применяемости и повторяемости. ЭРГОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ характеризуют систему «человек-ЭВМ-среда». Они подразделяются на гигиенические, физиологические, психологические, антропометрические. Эргономика- работа+закон- наука о человеке в условиях производства. Антропометрия – система измерения человеческого тела и его частей. ЭСТЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ характеризуют художественность, оригинальность, выразительность форм, гармоничность и целостность конструкции, цветовое и декоративное решение ЭВМ. ПАТЕНТНО-ПРАВОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ служат для оценки степени патентной чистоты и патентной защиты конструкции ЭВМ ПОКАЗАТЕЛИ ТРАНСПОРТИРУЕМОСТИ отражают приспособленность конструкции к транспортированию, к технологическим операциям, связанным с транспортированием. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ характеризуют затраты на проведение НИР и ОКР по разработке конструкции, на производство и эксплуатацию. Между показателями разных групп существуют взаимосвязи, которые обязательно нужно учитывать при проектировании ЭВМ. Например, эргономические и эстетические показатели влияют на производительность, создавая удобство оператору, позволяя при одном и том же психологическом напряжении вводить больше информации в единицу времени, снижает вероятность ошибки. 1.3 ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Условия эксплуатации характеризуются комплексом параметров, называемых внешними воздействующими факторами, которые изменяются в широких пределах. Из принято делить на 3 группы: 1. Климатические, 2. Механические, 3. Радиационные. Климатические факторы: изменение температуры, изменение влажности окружающей среды; тепловой удар; изменение атмосферного давления; наличие движущихся потоков пыли, песка; наличие солнечного облучения, грибковых образований, насекомых и грызунов; дождь или брызги и прочее. Механические факторы: воздействие вибрации, ударов, линейного ускорения, акустического удара; наличие невесомости. Радиационные факторы: космическая радиация; ядерная радиация; облучение потоком быстрых нейтронов, бета-частиц, альфа-частиц и т.д. Перечисленные факторы могут действовать независимо от других, некоторые факторы совместно с другими группами. Коротко рассмотрим некоторые факторы, влияющие на технические характеристики ЭВМ. Тепловой удар - резкое изменение температуры окружающей среды, при этом время изменения температуры исчисляется минутами, перепад - десятками градусов. Влажность вызывает разрушение исходной структуры вещества; в металлах появляется коррозия, изоляционные материалы обладают влагопоглощением. Грибковые образования выделяют ферменты, ускоряющие процесс разложения веществ. Грибковые образования возникают в условиях: относительная влажность 80-100% , t°=25-35°С, неподвижность воздуха, отсутствие света. Вибрация - это колебания, возникающие в ЭВМ при контакте с источником колебаний. Удар - быстрое изменение ускорения, характеризуется ускорением и длительностью удара. Акустический удар - давление звуком, мощностью колебаний источника звуков, силой звука. Космическая радиация выражается в возникновении процесса ионизации в материалах (проявляется в ЭВМ, используемых в космосе). Облучение различными частицами может вызвать обратимые, полуобратимые или необратимые явления в веществах. Наиболее устойчивы металлы; у органических материалов ухудшаются механические и диэлектрические свойства. Пример: Сопротивление резисторов, электрическая прочность конденсаторов уменьшаются, в полупроводниковых материалах появляются фототоки, искажающие процессы. В зависимости от перечисленных климатических, механических и радиационных факторов ЭВМ делят на группы: Характер и интенсивность воздействия внешних факторов зависят от объекта, на котором эксплуатируется ЭВМ. По виду объекта установки различают 3 группы ЭВС в соответствии с ГОСТ: стационарные, нормативные, транспортируемые (рисунок 1). ЭВС Стационарные Портативные Транспортируемые В отапливаемых помещениях I группа Переносная, работающая в помещении VI группа Автомобильный и дорожный транспорт III группа Работающая на открытом воздухе VII группа Морские и речные суда IV группа В отапливаемых помещениях II группа Железнодорожный транспорт V группа Самолеты, космические аппараты VIII группа Рисунок 1 – Группы ЭВМ Стационарные средства – аппаратура, эксплуатируемая в отапливаемых и неотапливаемых помещениях: бункеры, подвалы, производственный цех, лаборатория и т.д. Условия эксплуатации от -50 до + 50 градусов, влажность до 90-98 %, наличие многократных и одиночных ударов и т.д. Транспортируемая ВТ – аппаратура, эксплуатируемая на автомобилях, автоприцепах (3 группа), на железнодорожном транспорте (5 группа), бортовая (8 группа), самолеты, ракеты. Характерны повышенные механические нагрузки. На аппаратуру 3 группы действуют вибрации до 200 Гц, удары, вызванные неровностями дороги. При движении ж/д транспорта характерны неожиданные точки как следствие изменения скорости движения, вибрации до 400 Гц, Особо жесткие условия на гусеничном транспорте (танк, трактор, самоходное орудие) – вибрация до 700 Гц, постоянное действие акустического шума до 150 Дб. ВТ в морском исполнении устанавливается на больших кораблях, малых быстроходных катерах, подводных лодках. Характерны вибрации, ударные нагрузки, агрессивная среда (морская атмосфера). Вибрация вызывается работой винтов, двигателей, гребного вала. Диапазон частот не велик, не более 25 Гц, амплитуда небольшая, зависит от места расположения аппаратуры. На крейсере максимальные вибрации на кормовой части (0-25 ГЦ, амплитуда до 25 мм), на сторожевом катере большой уровень вибраций характерен для носовой части (частота до 1000 Гц с амплитудой до 1 мм). Морской воздух содержит много активных веществ, поэтому ЭА должна обладать высокой коррозийной стойкостью, водо- и брызгозащищенность. Бортовая ВТ устанавливается на борту самолетов, вертолетов, управляемых снарядов, космических кораблях, искусственных спутниках Земли. ВТ устанавливается в фюзеляжах самолетов, вибрации до 500 Гц, амплитуда до 10мм, акустический шум до 150 дБ. Аппаратура на борту ракет различного назначения находится в самых неблагоприятных условиях – вибрации носят сложный характер, определяемый воздействием двигателя и аэрокосмических эффектов. Вибрации беспорядочны, охватывают широкий диапазон частот от нескольких сотен Гц до нескольких тысяч Гц. Портативная ВТ – калькуляторы, ноут-буки, вычислители, которыми пользуются строители, геологи, офицеры армии и т.д. Небольшие габариты, малая мощность потребления, высокая надежность делают эту технику незаменимой в работе, не требующей сложного программирования. Условия работы соответствуют зоне комфорта человека (акустический шум до 85 дБ, частота до 20 Гц, удары длительностью до 10 мс с ускорением 2g). В таблице 1 приведены значения воздействующих факторов для различных групп наземных ЭВМ. Таблица 1 ВОЗДЕЙСТВУЮЩИЕ ФАКТОРЫ Пониженная температура, 0С Повышенная температура, 0С Повышенная влажность Пониженное давление Вибрация на одной частоте Вибрация в диапазоне частот Удары одиночные Удары многократные ПАРАМЕТРЫ Предельная Рабочая Предельная Рабочая Относительная влажность % Температура, 0С Время выдержки,ч Температура, 0С Давление, Па Время выдержки,ч СТАЦИОНАРНЫЕ ЭВС ТРАНСПОРТИРУЮМЫЕ ЭВС ПОРТАТИВНЫЕ ЭВС -40 -25 60 50 93 -40 -10 60 50 93 25 48 25 72 25 72 -10 6,1*104 2 -10 6,1*104 2 -10 6,1*104 2 20 2 0,5 20 2 0,5 10-80 0,8-3,8 12 10-80 0,8-3,8 12 5-10 15 60 5-10 10 60 5-10 15 12.000 5-10 10 10.000 Климатические -40 5 55 40 80 Механические Частота, Гц 20 Ускорение, ед.q 2 Время выдерж0,5 ки,ч Диапазон частот Ускорение, ед.q Время выдержки,ч Длительность, мс Ускорение, ед.q Общее число ударов Длительность, мс Ускорение, ед.q Общее число ударов Каждой группе ЭВМ соответствуют свои условия эксплуатации, своя совокупность климатических и механических факторов. Параметры воздействующих на ЭВМ факторов в условиях эксплуатации необходимы конструктору для правильного выбора электронной базы, материалов, покрытий изделий, работоспособного в заданных условиях эксплуатации. 1. 4 ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ТЕХНИЧЕСКИМ СРЕДСТВАМ ВТ ЭВМ создаются на базе конструкции с учетом предъявляемых требований. Многообразие ЭВМ обусловило многообразие технических требований: к габаритам, потребляемой мощности, стоимости, потребляемой мощности, защиты от внешних воздействий. Все требования должны быть учтены при разработке конструкции. Требования делятся на частные (относятся к одной ЭВМ) и общие (определяются ГОСТами и делятся на несколько групп). Общие требования: 1. Тактико-технические 2. Конструктивно-технологические 3. Эксплуатационные 4. Надежностные 5. Экономические. Первая группа включает требования к параметрам устройства (быстродействие, объем памяти, языки программирования и т.д.). Эти требования учитываются на стадии проектирования, необходимо предусмотреть техническую, программную, информационную, эксплуатационную совместимость устройств, входящих в состав ВМ В конструкции должны быть учтены меры по защите от воздействия климатических и механических факторов, ранее рассмотренных. Климатические факторы Пониженная температура, градусы Повышенная температура, градусы Рабочая температура, градусы Относительная влажность,% Механические факторы Вибрации на одной частоте, Гц Вибрация в диапазоне частот, Гц 1 группа -40 55 40 80 8 группа -60 75 60 98 20 - 20 до 2500 Вторая группа требований - модульный принцип построения, технологичность, минимальная номенклатура комплектующих изделий, ремонтопригодность, защита от несанкционированного доступа, обеспечение безопасной работы. Модульный принцип построения заключается в разбиении схемы на функционально законченные узлы, которые могут быть выполнены в виде типовых модулей, что позволяет автоматизировать процесс проектирования и изготовления типовых модулей , упростить сборку, организовать производство на разных предприятиях. Технологичность – это экономичность конструкции в условиях производства, рациональная структура с минимумом регулировочных и доводочных операций, максимумом стационарных деталей и материалов. Говорят это взаимозаменяемость, регулируемость, контролепригодность конструкции. Третья группа – простота управления и обслуживания, предусмотрение сигнализации аварийных ситуаций. С эксплуатационными требованиями тесно связаны эргономические требования и требования инженерной психологии. Внешний вид должен быть эстетичным, органы управления удобны, доступны, не должны вызывать напряжения органов чувств у оператора. Четвертая группа включает следующие параметры – вероятность безотказной работы, средняя наработка на отказ, срок службы, время восстановления работоспособности, средний срок сохраняемости. Пятая группа – минимально возможные затраты времени, труда и материальных средств на разработку, изготовление и эксплуатацию ВТ. 1.5 ИСПЫТАНИЕ ЭВМ И ТИПОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ Качество ЭВМ определяется конструкцией, технологией изготовления и условиями эксплуатации. В обеспечении качества существенное значение имеют испытания. Испытание - это экспериментальное определение количественных и качественных характеристик объекта при его функционировании, при моделировании объекта и воздействий. Испытания делятся на: - исследовательские, - контрольные, - сравнительные, - определительные. Исследовательские испытания в процессе проектирования выполняются с целью получения данных, необходимых для проектирования аппаратуры (сведения о рабочих характеристиках, показателях надѐжности, экспериментальная проверка принципиально новых конструкторских и технологических решений и т.д.). Исследовательские испытания в процессе производства выполняются с целью выявления ошибок конструирования, отклонения от технологии и правил эксплуатации. Контрольные испытания выполняются с целью контроля качества объекта. Сравнительные испытания выполняются при необходимости сравнения свойств аналогичных объектов, например ЭВМ, выпущенных разными предприятиями. Определительные испытания проводятся для оценки значений характеристик объекта и сравнения с заданными значениями показателей точности и достоверности. Для проведения испытаний составляется ПРОГРАММА ИСПЫТАНИЙ - организационно-методический документ, устанавливающий конкретные цели, объект, объѐм, методику испытаний, порядок, условия, место и сроки проведения; ответственность за проведение испытаний, оформление протоколов и отчѐтов. Программа испытаний включает 6 разделов: 1. Объект испытаний. 2. Цель испытаний. 3. Обоснование необходимости проведения испытаний. 4. Место проведения и обеспечение испытаний. 5. Объем и методика. 6. Оформление результатов испытаний. При описании объекта приводятся паспортные данные, параметры и характеристики, подлежащие измерению или определению по измеренным значениям других параметров; требования к электрическим параметрам, внешнему виду. В разделе "Цель Испытаний" указывается назначение испытания (исследовательское, контрольное и т.д.), уровень проведения (государственное, ведомственное, заводское и т.д.), отношение к этапам разработки продукции (например, доводочное или приѐмочное) или к испытаниям готовой продукции (приѐмосдаточное, периодическое, типовое, инспекционное и т.д.). В 4 разделе указываются условия и место проведения испытаний: лабораторные, стендовые, полигонные, эксплуатационные, с использованием моделей и пр. Приводится перечень оборудования. В 5 разделе даются сведения о количестве изделий, общей продолжительности испытаний, продолжительности испытаний при воздействии различных факторов; состав и последовательность испытаний, метод и средства испытаний и пр. То есть даѐтся план работы, в котором перечисляются все работы, необходимые для проведения испытаний, начиная от изготовления образца и заканчивая проведением испытаний (приѐмка образца отделом технического контроля, измерение и определение параметров, подготовка измерительного оборудования и т.д.). В 6 разделе приводятся оформление результатов испытаний, согласование и утверждение протоколов испытаний. В результате испытаний принимается решение по объекту - его годности, предъявлении на следующие испытания, возможности серийного выпуска и пр. Наиболее главным и объѐмным является раздел 5. Коротко остановимся на разделе "Объѐм и методика испытаний " Метод испытаний это совокупность правил применения определѐнных принципов и средств для проведения испытаний. Указанный метод должен обеспечивать воздействие на объект факторов, установленных в Т3 или другой документации. Средства испытаний - технические устройства, материалы, вещества, применяемые при проведении испытаний. Это испытательное и измерительное оборудование; устройства, предназначенные для крепления объекта испытаний; приборы регистрации и обработки результатов. Вся аппаратура должна обеспечивать заданные режимы испытаний полноту и точность испытаний. Изделие должно крепиться точно также, как и при эксплуатации. Все устройства не должны вносить дополнительных воздействий. Условия испытания - совокупность внутренних и внешних воздействующих факторов, режимы функционирования аппаратуры, способы и место установки, монтажа, крепления. Самое главное - при испытании обеспечить адекватность условий испытаний условиям эксплуатации (хранения, транспортировки). Внутренние воздействия на ЭВМ проявляются через электрические и механические нагрузки, обусловленные ее функционированием. Внешние воздействия определяются условиями эксплуатации, хранения, транспортирования. Мы уже рассмотрели типы внешних воздействий: климатические, механические, радиационные. По причинам возникновения внешние воздействия делятся на воздействия естественных условий и условий применения ЭВМ на объекте. Естественные условия - совокупность воздействующих факторов, обусловленных состоянием окружающей среды в месте нахождения аппаратуры. Естественные климатические условия для ЭВМ, используемых в помещениях без регулирования климатических условий, представляют изменения температуры воздуха +40°C 40°С, при этом колебания температуры воздуха за 8 часов +20°С, полное отсутствие потока солнечной радиации, дождя, пыли и песка, плесени и грибков. Условия применения ЭВМ - воздействия, связанные с функционированием объекта, в составе которого она находится, например температура, вибрация, удары, вызванные работой двигателя или его движением. По условиям эксплуатации ЭВМ разделены по группам, которые мы рассмотрели раньше. Для испытаний выбор воздействующих факторов осуществляется с учѐтом группы ЭВМ с целью проверки способности ЭВМ выполнять функции до и после воздействий, выявить наличие дефектов, определить динамические характеристики. Важнейший вид испытаний ЭВМ - испытание на надѐжность в том виде, в котором она применяется по назначению. Результаты определѐнных испытаний на надѐжность используется для оценки фактических показателей надѐжности и сравнения с ТЗ. При испытаниях на надѐжность определяют наработку на отказ, момент возникновения отказов, наработку на сбой, число сбоев, время восстановления работоспособности, причины возникновения отказов, режимы, при которых появляются отказы. Напомню некоторые термины, их значение. Работоспособное состояние - это состояние ЭВМ, при котором значение всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям конструкторской документации. Если хотя бы один параметр не соответствует требованиям нормативно-технической документации, то ЭВМ находится в неработоспособном состоянии. Отказ- событие, состоящее в частичной или полной утрате работоспособности ЭВМ и приводящее к невыполнению или неправильному выполнению задач. Сбой - временная утрата работоспособности ЭВМ. 1.6 ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭВМ Процесс проектирования нового изделия включает 2 этапа: научно-исследовательскую работу (НИР) и опытно-конструкторскую работу (ОКР). НИР - аналитическая проработка изделия: разрабатываются новые принципы построения изделия, научно обоснованный подход к реализации этих принципов. Заканчивается отчѐтом, где излагается анализ проведѐнных исследований. Выводы могут быть разными. Отрицательный вывод говорит о том, что на современном уровне развития техники реализация задачи невозможна или преждевременна. ОКР - работа основывается на НИР и заключается в инженерном воплощении теоретических разработок в схему, конструкцию. При этом выполняется теоретическое, расчетное, экспериментальное исследование идей. ОКР заканчивается выпуском комплекта документации на изделие; изготовлением и испытанием опытного образца. Конструкторские документы (КД) - это документы, которые в отдельности или совокупности определяют состав, устройство изделия, содержат данные, необходимые для его разработки, изготовления, контроля, эксплуатации и ремонта. ЕСКД устанавливает следующие этапы разработки КД на изделия, в том числе на ЭВМ и комплексы: - техническое задание (ТЗ) устанавливает основное назначение, технические характеристики, показатели качества, технико-экономические требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию. - техническое предложение - совокупность конструкторских документов, содержащих техническое и технико-экономическое обоснование целесообразности разработки изделия на основе анализа ТЗ, различных вариантов возможной реализации, сравнительной оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого изделия. - эскизный проект - совокупность документов, содержащих принципиальные конструктивные решения, дающие общее представление об устройстве и принципе действия изделия, а также данные, определяющие назначение и основные параметры разрабатываемого изделия. - технический проект - совокупность конструкторских документов, содержащих окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия и исходные данные для разработки рабочей документации, - разработка рабочей документации- совокупность конструкторских документов, предназначенных для изготовления и испытания опытного образца изделия. 2 ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ 2.1 КОНСТРУКТИВНАЯ ИЕРАРХИЯ Быстpое pазвитие схемотехники, совеpшенствование элементной базы, pост интегpации и появление новых пpинципов функциониpования, совеpшенствование методов фоpмиpования инфоpмационного сигнала - все это обусловило необходимость комплексного pешения пpоблем констpуктоpского пpоектиpования. Очевидно, что pентабельное и pадикальное pешение большинства возникающих пpоблем возможно на этапе констpуиpования несущих констpукций, служащих основой констpуиpования вычислительного устpойства. Несущая конструкция (НК) – конструкция, воспринимающая основные нагрузки и обеспечивающая прочность, жесткость,устойчивость устройства. Возpастающая сложность и ответственность задачи pазpаботки НК тpебует пpинципиальных изменений в сложившейся пpактике констpуиpования, поиска и pеализации новых сpедств и методов констpуиpования. Различают два принципа конструирования ЭВМ: одноуровневый и многоуровневый. Одноуровневый - вся принципиальная электрическая схема реализуется на одной плате. Используется для конструирования пpостых устpойств, ЭВМ невысокой сложности при при крупносерийном или массовом производстве. Пpогpесс в pазвитии ВТ обусловил pаспpостpанение и совеpшенствование базового пpинципа констpуиpования (его еще называют многоуpовневый пpинцип). Пpи этом конструкция ЭВМ состоит из конструктивных модулей (КМ) или ТК (типовых конструкций). ТК - любой узел ЭВМ, который по конструктивному оформлению и технологии производства является самостоятельным и имеет стандартные средства электрического и механического сопряжения. Такой принцип конструирования позволяет организовать производство типовых конструкций независимо друг от друга, обеспечивая специализацию производства. Согласно этому пpинципу можно установить следующие уpовни иеpаpхии ТК. ЭРЭ и микросхемы, для которых характерна конструктивная и техническая неделимость, называют нулевым уpовнем иерархии. Современные элементы разрабатываются в виде единых размерно-параметрических рядов (по номиналу, допускам, геометрическим размерам корпусов), что обеспечивает высокий уровень унификации и стандартизации. Модуль пеpвого уpовня - основная сбоpочная единица, служащая для pазмещения и электpического объединения (соединения) микpоcхем, ЭРЭ, функционально законченных устpойств, не имеющих самостоятельного эксплуатационного назначения. Модуль пеpвого уpовня часто называют ячейкой, котоpая пpедставляет собой несколько плат с элементами 0 уровня (от десятка до сотен микpосхем). Модуль 2 уpовня - сбоpочная единица, служащая для pазмещения и электpического соединения модулей 1 уpовня и обpазования функционально законченных устpойств, имеющих или не имеющих самостоятельного эксплуатационного назначения. Модуль втоpого уpовня иеpаpхии pеализуется в виде панели или блока. Панель не имеет самостоятельного эксплуатационного назначения, блок - это функционально законченное устpойство. Модуль 3 уpовня - сбоpочная единица, служащая для pазмещения и электpического соединения модулей 2 уpовня и обpазования функционально законченных устpойств, имеющих самостоятельное эксплуатационное назначение. Модуль тpетьего уpовня pеализуется в виде стойки. Но, в зависимости от выбpанной констpуктивной иеpаpхии, это может быть и pама. Для разных типов ЭВМ применяется различная конструктивная иерархия. Например в качестве типовой конструкции используется конструкция 1 уровня - ячейка. В специализированных ЭВМ используется типовая конструкция более высокого уровня, например кассета или блок. Принцип иерархического построения позволяет вести проектирование по каждому уровню независимо, оптимизируя типовые конструкции по частичным критериям на том основании, что при переходе к более высокому рангу влияние отклонений, допущенных ранее, снижается. Но поскольку параметры конструкции зависят от результатов, полученных на предыдущих уровнях, задачу конструирования в целом необходимо решать с учетом связей всех типовых конструкций различных уровней. Задача определения схемного содержания типовой конструкции и оформление ее в виде сборочной единицы самостоятельна. Но между ними существует связь. Например, оптимальный состав модуля может оказаться технически нереализуемым из-за невозможности выполнения трассировки на заданном поле. После изменения поля необходим возврат опять к задаче компоновки типовой конструкции. Таким образом, основные свойства конструкции ЭВМ как n-уровневой иерархической системы следующие: возможность поиска оптимального варианта конструкции каждого уровня иерархии; существование критерия качества всей системы, который должен учитывать основные показатели ЭВМ, зависящие от конструкции; возможность поиска оптимальной структуры типовых конструкции внутри рангов и между ними. Число уровней иерархии переменное. При проектировании число уровней можно увеличивать, можно уменьшать. Это определяется классом ЭВМ и технологией изготовления. Так отдельные устройства ЭВМ можно реализовать с использованием ТК 1 уровня. Но реализация ЭВМ требует 4 или 5 уровней иерархии. Например, универсальная ЭВМ: 1 уровень включает в себя типовой элемент замены (ТЭЗ) - конструктивно законченная единица, самостоятельная по технологии, служит исходной конструктивной единицей, взаимозаменяемой с однотипными ТЭЗ. В качестве ТЭЗ используются ячейки - прямоугольные печатные платы с разъѐмом, объединяющие до нескольких десятков микросхем. Ячейки монтируются в панели, представляющей металлическую конструкцию, имеющую ответные части разъѐмов для ячеек, ответный монтаж, разводку питания, шины заземления. Несколько панелей монтируются в стойке, имеющей дверцы, закрывающие внутренний объѐм. В состав стойки, кроме панелей, входят блоки питания, устройства вентиляции и т.д. Несколько стоек (шкафов), объединѐнных с помощью кабелей, образуют ЭВМ. Недостаток иерархии микросхема - ячейка - панель - рама - стойка - ЭВМ в том, что существует незаполненный объем, так как не все ячейки заполнены микросхемами и электрорадиоэлементами. Устранен этот недостаток в машинах, где в качестве ТЭЗ берется модуль - структурная единица 1 уровня, у которого два размера (высота и ширина) постоянны, а тpетий размер меняется от одного типа модулей к другому. Модуль - прямоугольная печатная плата, на которой расположены 2-3 ряда микросхем. Модуль крепится на субблоке с помощью штырей, которые монтируются либо на плате, либо на субблоке. Штыри располагаются на модуле вдоль длинной его стороны. Длина модуля кратна шагу размещения микросхем. Модули объединяются в субблоки, представляющие собой плоскую конструкцию, которая служит для объединения модулей, в своем составе имеет раму, базовую плату, разъем, механизм фиксации в стойке. Стойка предусматривает монтаж субблоков без промежуточных конструктивных единиц. Для настольных и бортовых ЭВМ обычно используются ячейки (1 уровень иерархии), из которых сразу монтируют машину. Это связано с тем, что разбиение функциональной схемы на повторяющиеся узлы приводит к необходимости изготовления ячеек небольшого размера. Ячейки устанавливаются в блок, который помещают в кожух с пультом управления. При модульном построении ЭВМ различают 5 уровней электрической коммутации: 1 уровень - коммутация печатным или проводным монтажом элементов на плате; 2 уровень - коммутация печатным или объѐмным монтажом ответных соединителей модулей 1 уровня в блоке; 3 уровень - электрическое объединение объѐмным монтажом блоков; 4 уровень - коммутация рам в стойке жгутами или кабелями; 5 уровень - коммутация стоек между собой кабелями или жгутами. Итак, несущих констpукций (НК) много, габаpитные pазмеpы изменяются в довольно шиpоких пpеделах. Это многообpазие опpеделяется типом объекта-носителя (стационаpная или возимая аппаpатуpа) и типом констpуктивного исполнения (стойка, пульт, настольный пpибоp и т.д.). Различие конкpетных видов констpукций в каждом уpовне опpеделяется областью использования или назначения (pабота в закpытом помещении, на откpытом воздухе, на тpанспоpте и т.д.). Наиболее pаспpостpанены НК в виде стойки, pазличия между ними хаpактеpизуются такими дополнительными пpизнаками, как гpуппа эксплуатации, стpуктуpная схема постpоения, степень экpаниpования и т.д. Многообpазие видов НК ведет к мелкосеpийности выпуска изделий, что пpепятствует повышению эффективности pазpаботки и пpоизводства аппаpатуpы. Поэтому в миpовой пpактике шиpокое pаспpостpанение получили унификация, типизация, агpегатиpование и огpаничение как методы, обеспечивающие pациональное сокpащение количества типов и типоpазмеpов констpуктивных элементов, деталей, сбоpочных единиц всех стpуктуp ТК, номенклатуpы пpименяемых матеpиалов. Междунаpодные оpганизации, такие как МЭК, СЭВ, МККТТ ведут pаботу по стандаpтизации. Рекомендациями установлены габаpитные pазмеpы НК для стоек: высота 2600 мм, глубина 225 и 450 мм, шиpина 120, 150, 600 мм. Фиpмы pазpабатывают системы НК, пpедназначенные для пpименения в аппаpатуpе pазличного назначения. Амеpиканская фиpма ВЭК (WEG) pазpаботала большую систему Беллпак - это семейство 40 типов НК; фиpма "Филипс" - сеpию из 70 типов НК. За последние годы pезко возpос коэффициент повтоpяемости деталей в стоечных НК всех типов. Это объясняется стpемлением создать констpукцию блоков с минимально возможной шиpиной, котоpая пpиспособлена к pазвитию микpоминиатюpизации ЭРЭ (для сpавнения: 7-10 лет назад минимальная шиpина блока была в 2 pаза больше). Номенклатуpа деталей сокpащается за счет повышения технологичности НК путем поиска новых констpуктивных pешений с помощью пpогpессивных фоpмообpазований (пластмассовое и цветное литье, пеpеход на пpессованные алюминиевые фоpмы и т.д.). Эффективность пpименения этих методов фоpмообpазований подтвеpждается существенным снижением тpудоемкости изготовления стоечных стационаpных НК. Напpимеp, использование литья, пpофиля, самонаpезающихся винтов пpиводит к сокpащению, а то и исключению доpогостоящих фpезеpных, свеpлильных и токаpных pабот. Шиpокое пpименение новых, более технологичных матеpиалов в НК пpивели к снижению удельной стоимости матеpиалов kc и матеpиалоемкости km (рисунок 2): kC  N C M , km  , k П  T M V NЭ где С - стоимость материалов, M,V - масса и объем конструкции, Nт - число типоразмеров, Nэ - число элементов. Рисунок 2 - Оценка несущих конструкций Обзоp достижений в области pазpаботки НК показал, что на повышение техникоэкономической эффективности НК оказывает влияние смена поколений элементной базы, пpименение микpосхем с высоким уpовнем интегpации. Очень яpко хаpактеp этого влияния выpажен на изменении коэффициента заполнения объема стойки KV=VЭЛ/VТК Для повышения KV пpинимаются следующие меpы: 1. Повышение полезной площади печатной платы за счет снижения свободных от ЭРЭ зон, уменьшения технологических зон благодаpя установке контpольных гнезд, микpоминиатюpных пpисоединителей и т.д. 2. Миниатюpизация pазмеpов элементов НК, обеспечение pационального использования полезной площади, уменьшение pазмеpов электpомонтажных зон, внедpение высокопpочных матеpиалов, использование новых способов теплоотводов, плоских кабелей и т.д. Например, в системе "Европак" функции устройств крепления блоков и соединителей выполняются направляющей; в системе "Беллпак" используются традиционные платы и специальные металлические основания, которые улучшают теплоотвод и обеспечивают минимальные расстояния между устанавливаемыми на них ЭРЭ. 3. Расширение возможностей формирования функционально законченных устройств различного объема на основе изменения компоновочных схем их построения и применения нескольких типоразмеров плат. Например, ведущие фирмы используют два-три типоразмера плат, другие фирмы используют установку плат в вертикальном и горизонтальном положении по высоте стойки, часто используют комбинированные компоновочные схемы построения функционально законченных устройств в одной и той же стойке. Таким образом, важнейший фактор, вызывающий необходимость разработки новых НК - это постоянный процесс обновления элементной базы (ИС, ЭРЭ), который проявляется в их микроминиатюризации и росте интеграции. Возникают противоречия между габаритными и эксплуатационными параметрами современных ЭРЭ с одной стороны и установившимися характеристиками НК с другой стороны. Противоречие устраняется новыми конструкторскими решениями, повышением функциональной емкости устройств. Исходя из вышеизложенного ясно, что коэффициент заполнения Kv является одним из важнейших универсальных показателей качества несущей конструкции и характеризует уровень конкретной разработки. 2.2. МЕТОДЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТК Отметим, что разработка ТК, любой конструкции выполняется с учетом сложности изделия, технологии изготовления, эксплуатации изделия. Конструкцию ВМ выбирают из нескольких вариантов, которые подвергаются тщательному анализу. При конструировании ВТ используются несколько методов. Очень важным направлением развития теории и практики конструирования средств ВТ является совершенствование методов конструирования. Разработанные к настоящему времени методы конструирования классифицируют следующим образом: - по видам связей между элементами конструкции (геометрический, топологический, машиностроительный); - по способу выявления и организации структуры связей между элементами (метод моноконструкций, базовый метод); - по степени автоматизации выявления структуры связей между элементами (эвристический и автоматизированный методы). Выбор конкретного метода зависит от назначения аппаратуры, ее функций, уровня унификации, автоматизации и т.д. По целому ряду причин преимущественное применение получили некоторые из перечисленных методов. Коротко остановимся на них. Машиностроительный метод применяется для конструкций, несущих основные механические нагрузки (каркасы панелей, рам, стоек), элементов обеспечения соединения. Точность работы конструкций определяется точностью обработки деталей и сборки модулей. Несущая конструкция может быть выделена в любом уровне иерархии. В ячейке - печатная плата, в блоке - шасси, в панели и раме - каркас и т.д. То есть это то, что обеспечивает целостность и предназначено для механического крепления, защиты от механических воздействий. В зависимости от сложности НК может быть выполнена в виде одиночной детали, составной, включающей несколько деталей, объединенных в единую конструкцию разъемными и неразъемными соединениями. Геометрический метод применяется для механических конструкций, в которых должно соблюдаться точное взаиморасположение и перемещение деталей. Метод основан на положениях геометрии. Машиностроительный метод более эффективен по сравнению с геометрическим благодаря возможности обеспечения механической прочности при минимальной массе, простоте и высокой экономичности конструкций и используется при проектировании модулей всех уровней иерархии. Базовый метод обладает множеством достоинств, которые обеспечивают ему широкое распространение при создании НК и определяют перспективность применения в НК будущего. К числу основных преимуществ относятся: - на этапе разработки - возможность одновременного проектирования различных составных частей аппаратуры, изготовления и отладки опытных образцов; значительное сокращение объема оригинальной конструкторской документации; возможность существенной модернизации аппаратуры без коренных изменений конструкции; - на этапе производства - сокращение сроков освоения серийного производства аппаратуры, упрощение сборочно-монтажных работ и снижение требований к квалификации монтажников и сборщиков, уменьшение стоимости благодаря возможности широкой механизации и автоматизации технологических процессов; создание предпосылок для повышения специализации производства; - при эксплуатации - улучшение ремонтопригодности, облегчение обслуживания и повышение эксплуатационной надежности. Эвристический метод основан на обобщении опыта проектирования. Метод до настоящего времени является основным в практической деятельности конструктора ВТ. Это привело к тому, что большинство изделий все менее и менее прорабатываются на начальных стадиях проектирования и все более не соответствуют уровню лучших мировых образцов. Одна из причин отставания заключается в недостаточном техническом уровне НК, который обусловлен противоречиями между возможностями эвристического метода конструирования и постоянно возрастающей сложностью конструкторских задач, главным образом связанных с поиском наиболее эффективных новых технических решений. Автоматизированные методы разработаны на уровне элементной базы, печатных плат, прокладки проводного монтажа. Основное достижение в этом направлении - решение локальных задач анализа НК, проводимого на последних этапах конструирования: расчеты на вибрационные и ударные воздействия, тепловой режим, расчет помехоустойчивости и прочее. Но все-таки развитие автоматизированных систем проектирования носит фрагментарный характер. Большинство программ составлено без учета таких факторов, как минимум затрат на проектирование, изготовление и эксплуатацию, сокращение сроков изготовления за счет улучшения технологии, унификации и стандартизации, минимизации объема за счет рационального выбора элементной базы, тепловых режимов и т.д. Во всех публикациях отечественных и зарубежных специалистов, ученых подчеркивается актуальность работ по созданию прогрессивных методов проектирования НК как одного из решающих факторов, обеспечивающих комплексное повышение эффективности, качества и надежности новых образцов техники. 2.3 ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТК Рассмотрим сначала основные свойства НК: 1. Иерархичность и гибкость структуры. Иерархичность проявляется в наличии модулей НК, находящихся в соподчинении в соответствии с занимаемыми уровнями. Гибкость заключается в возможности построения НК с разным количеством структурных уровней на основе одинаковых элементов конструкции (например, построение одной НК в виде двух - или трехуровневой НК). 2. Приспособленность к применению современной элементной базы с разной степенью интеграции и к максимальному использованию объема. Это свойство осуществляется благодаря выбору материала, топологических параметров модулей определенного уровня, видов и методов монтажа, разработке элементов конструкции с уменьшенными массогабаритными параметрами. При этом учитываются перспективы развития ЭРЭ и микросхем. 3. Стандартизованность и технологичность. Свойство характеризуется ограничением количества типоразмеров и общего количества деталей и сборочных единиц, применением прогрессивных способов и методов формообразования. Они определяют возможность организации гибких автоматизированных производств. 4. Механическая прочность, жесткость и устойчивость. Свойства определяются рациональным выбором материалов, размеров, схемы опорных закреплений. 5. Влагостойкость, пыле- и брызгозащищенность, радиационная стойкость. Свойства формируются с целью защиты от климатических воздействий и обеспечиваются применением лакокрасочных и гальванических покрытий, специальных материалов, различных видов герметизации. 6. Экранированность. Это свойство НК к подавлению паразитных наводок посредством экранирования как отдельных элементов ЭРЭ, микросхем, так и различного оборудования в целом. Реализация свойства путем выбора конструкции экранов, способов электромонтажа и заземления, применяемых в разрабатываемой НК. 7. Согласованность габаритных и присоединительных размеров. Предусматривается для всех типов оборудования при соответствии этих размеров отечественным стандартам и рекомендациям международных организаций. 8. Композиционная целостность формы, цветовая гармония, способность к обеспечению оптимального сопряжения человека-оператора с аппаратурой. Эти свойства удовлетворяют требования технической эстетики и эргономики на основе рационального выбора цветовой гаммы покрытий и классов отделки поверхностей, реализации других художественно-конструкторских решений. Рассматривая требования к НК, ее свойства можно отметить, что они взаимосвязаны и подчинены достижению одной цели - обеспечение предъявляемой к конструкции совокупности требований. Множество этих требований часто противоречиво. Например, выбор печатной платы: исходя из условий обеспечения механической прочности нужно уменьшать размеры, но исходя из условий электромагнитной совместимости, нормального теплового режима и трассировки межсоединений элементов необходимо их увеличивать. Основные принципы конструирования НК вытекают из ее свойств. Их можно сформулировать следующим образом: 1. Принцип оптимизации НК в целом по выбранному критерию оптимальности, осуществляемой на основе использования достижений в развитии теории исследования методов математического программирования и средств ВТ. 2. Принцип структурной иерархии НК, заключающейся в разделении ее на конструктивно законченные модули, которые находятся в соподчиненности (модуль низшего уровня входит в модуль старшего уровня). 3. Принцип взаимозаменяемости элементов, модулей и НК в целом, определяющий необходимость учета влияния характера дестабилизирующих факторов на НК с целью обеспечения ее качественного функционирования (например, влияние технологических процессов изготовления, выраженное в наличии допусков на размеры, на механические характеристики конструкций, учитываются при расчетах размерных цепей, механической прочности). 4. Принцип модульной координации размеров НК, заключающийся в выборе законов изменения численных значений размеров элементов, модулей и НК в целом для обеспечения гибкой структуры, требований технической эстетики и эргономики (соизмеримости, пропорциональности, антропометрии), максимального использования объема, построения размерно-параметрических рядов и т.д. 5. Принцип комплексной миниатюризации НК, то есть уменьшение массы, размеров, стоимости элементов и модулей всех уровней путем реализации прогрессивных конструк- торско-технологических решений (новые материалы, принципы компоновки, способы монтажа). 6. Принцип преемственности НК по использованию применяемых в отечественных и зарубежных аналогах прогрессивных технических решений, удовлетворяющих современным требованиям и рекомендациям международных организаций на построение размерной системы. 7. Принцип совместимости в масштабах страны и международных организаций по основным конструкторско-технологическим решениям: методам сборки и электромонтажа, типам электросоединителей, по элементам размерной системы (габаритным и присоединительным размерам модулей, величине приращения размеров элементов конструкции). 8. Принцип стандартизации НК, направленный на сокращение номенклатуры элементов конструкции, материалов и т.д. на основе типизации, унификации, агрегатирования. 9. Принцип единства художественного и конструкторского решения НК для всех типов оборудования, устанавливаемого на различных объектах-носителях. Таким образом, проблема проектирования НК требует применения системного подхода на основе перечисленных принципов и прежде всего принципа оптимизации. 2.4 КОМПОНОВКА ТИПОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЭВМ Компоновка - процесс размещения компонентов, модулей и деталей изделия на плоскости или в заданном объѐме. Мы рассмотрим геометрическую компоновку ЭВМ - это выбор формы, размеров, взаимного расположения типовых конструкций и способа их перемещения относительно друг друга. Цель геометрической компоновки - обеспечить технические характеристики и удовлетворить конструктивно - технологические и эксплуатационные требования. Конструктивно - технологические требования: обеспечение возможности раздельного производства ТК; минимальная номенклатура принятых изделий, деталей и материалов; обеспечение серийного производства ТК и использование прогрессивных методов изготовления ТК; обеспечение быстрой замены неисправных узлов и деталей; защита от разрушающего воздействия внешней среды; обеспечение минимальных габаритов и массы; соответствие состава комплекта КД условиям сдачи заказчику. Эксплуатационные требования: доступ ко всем устройствам машины, требующим регулировки или замены в процессе эксплуатации; различная сигнализация аварийных режимов работы; наличие специальных элементов фиксации ТК в положении, удобном для осмотра и проверки; наличие контрольных точек для подсоединения измерительной аппаратуры, аппаратуры, обеспечивающей профилактический ремонт и наладку ТК и т.д. В зависимости от уровня иерархии различают несколько уровней компоновки: компоновка ИМС на плате, ТЭЗ в блоке, блоков в раме и т. д. Критерии компоновки - это основные конструктивные параметры изделия и коэффициент заполнения объема. Методы компоновки: графический, аналитический, модельный. Графический метод позволяет выполнять компоновку изделия на чертѐжной бумаге с помощью карандаша. Допускается упрощенное графическое изобpажение конструктивных элементов. Недостаток заключается в высокой трудоѐмкости метода при получении отрицательного варианта. Аналитический метод позволяет оценить объѐм V или площадь S при известных установочных объемах и площадях компонентов: n V  kV V yi ,  i 1 n S   k S  S yi , i 1 где Vyi, Syi - установочный объем и площадь i-ой компоненты; n - число компонентов; kv, ks - коэффициенты, зависящие от условий эксплуатации (kv = 1 - 5; ks = 1 - 3). Метод не позволяет оценить внутренние связи в конструкции. Модельный метод выполняется с помощью упрощенных объемных или плоских моделей компонентов конструкции. Модели выполняются из любого материала (бумага, картон, пенопласт и т.д.) Достоинство: легкая установка и быстрый съем моделей позволяет получить большое число вариантов компоновки изделия и выбрать лучший. На различных этапах разработки конструкции в качестве критерия геометрической компоновки можно использовать такие показатели, как минимум суммарного расстояния между всеми взаимосвязанными элементами; минимум длины линии связи; минимум расстояния между наиболее удаленными точками конструкции. Чаще всего используется последний показатель. Типовая конструкция может иметь сферическую, цилиндрическую форму. Но они не обеспечивают высокой плотности упаковки, т.е. эффективного использования объема ТК. Наиболее целесообразны ТК в виде прямоугольных параллелепипедов. Компоновочная схема - это взаимное расположение типовых конструкций. Для ТК хаpактеpна компоновочная схема, где модели повтоpяются в 2-ух напpавлениях (рисунок 3): а) двумеpная схема компоновки б) одномеpная схема компоновки Рисунок 3- Компоновочные схемы Для удобства доступа к элементам, требующим pегулиpовки, пpименяются pазличные способы пеpемещения типовых констpукций : разворот (веерная констpукция), откидывание, pаскpытие. Рассмотpим выбор компоновочной схемы. Поскольку кpитеpий - минимум длины линий связи (что обеспечивает минимум потеpь быстpодействия, т.к. время задеpжки пpопоpционально длине линии связи). Длина линии связи зависит от компоновочной схемы TK. Поэтому возникает задача выбоpа такой пpостpанственной геометpии, котоpая пpи должном объеме обеспечила бы минимальную длину линии связи между наиболее удаленными элементами. Если стационаpная ЭВМ, то функциональные устpойства pазмещаются в панелях и блоках и общая компоновочная схема является двумеpной. Длина линии связи зависит от качества pешения задачи тpассиpовки соединений между элементами. Линия связи в блоке pавна (рисунок 4) lсв.бл = l1 + l2 + Kтp* lт, где Kтp - коэффициент, учитывающий качество тpассиpовки. l1 lСВ lT l2 Рисунок 4 - Компоновочная схема блока Объем блока Vбл = l1*l2*lт. Решая задачу опpеделения оптимальной геометpии связей методом геометpического пpогpаммиpования, получим минимальную длину. lСВ.БЛ .MIN  37 3 VБЛ КТР Оптимальное соотношение геометpических pазмеpов блока: l1 : l 2 : lT  1 : 1 : 1 KТР Если задана длина линии связи (исходя из вpемени задеpжки), то: l1  l 2  lT  lСВ 3 lСВ 3 * К ТР Пример: Определить размеры и компоновочную схему блока, если задано: tзад = 12 нс, связи выполнены печатным монтажом tзад = 5 нс/м, Kтp = 2 Если огpаничений на длину связей нет, то Kтp=4 . Решение: 1) Определим длину линии связи и габариты блока: lСВ  t ЗАД t ЗАД  12  2,4 м; 5 2,4 2,4  0,4 м; l1  l 2   0,8 м 3* 2 3 2) если lт:Bт = 1:1, то получим lT  1 l1 : lT  1 : ; 2 l1  2lT  2 BT , т.е 2  x рядная компоновка Аналогичным обpазом можно выбpать компоновочную схему многоpамной стойки. Если N1 - число веpтикальных pядов блоков в pаме, N2 - число горизонтальных рядов блоков в pаме, N3 - число pам, то оптимальные соотношение между паpаметpами стойки (рисунок 5): LВ : Lh : Lt = 1 : 2 : 2, где LВ, Lh, Lt - габаpитные pазмеpы. LT Lh Lв Рисунок 5 - Компоновочная схема стойки Оптимальное соотношение получим: N1 : N2 : N3 = 1 : 2 : 2Kтp Если Kтp = 2 , то N1 : N2 : N3 = 1 : 2 : 4 3 КОНСТРУКТИВНЫЕ МОДУЛИ НУЛЕВОГО УРОВНЯ 3.1 ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРОСХЕМ Интегральная микросхема (ИС) - микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигналов и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов и кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке и эксплуатации рассматривается как единое целое. Различают элемент ИС и компонент ИС. Элемент ИС - часть микросхемы, реализующая функцию любого радиоэлемента (транзистор, диод, резистор и т.д.), которая выполнена нераздельно от кристалла или подложки и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к эксплуатации, испытаниям и т.д. Компонент ИС - часть микросхемы, реализующая функции электро- радиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие. Рассмотрим классификацию микросхем. По виду обрабатываемого сигнала различают аналоговые и дискретные (цифровые) микросхемы. Аналоговые предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Цифровые микросхемы осуществляют обработку сигналов по закону дискретной функции. По степени унификации и назначению различают микросхемы общего применения (массового) и частного применения. Микросхемы общего применения выпускаются сериями. СЕРИЯ- совокупность типов микросхем, которые могут выполнять разные функции, но имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения. Для частных применений используются микросборки, выполняющие конкретные функции. Степень интеграции и плотность упаковки. Степень интеграции определяет сложность микросхем и определяется k =lg N . По степени интеграции различают микросхемы 1 степени интеграции (до 10 элементов), 2 степени интеграции (до 100 элементов), микросхемы 3 и более степени интеграции называются большими (БИС). По особенностям конструкции защиты микросхем от внешних воздействий (влага, пыль, вибрации, удары) различают корпусированые и бескорпусные микросхемы. Бескорпусные микросхемы образуют элементную базу микросборок. По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делятся на полупроводниковые, пленочные и гибридные. Полупроводниковая ИС - микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Пленочная МС - микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде пленок. Различают тонкопленочные и толстопленочные ИС. Гибридная ИС - микросхема, содержащая кроме элементов, компоненты и кристаллы. Пример - многокристальная микросхема. Для характеристики технологических методов изготовления микросхем, типа применяемых транзисторов используется понятие структуры ИС. Структура определяет последовательность слоев в составе микросхемы, различающихся материалом, толщиной, электрофизическими свойствами. Например, используются структуры на биполярных транзисторах, на МДП -приборах, структуры И2Л и т.д. Таким образом, заданная структура позволяет установить состав, последовательность технологических процессов обработки пластины и определить технологические режимы для каждого метода. Следует отметить, что ИС одной серии различного функционального назначения имеют одну структуру, соответственно, одну базовую технологию, для которой характерна технологическая последовательность обработки, определенный комплект оборудования, отработанная настройка оборудования, т.е. жесткие технологические процессы. Все это напрямую связано с экономичностью и эффективностью процесса производства ИС. При этом базовая технология не зависит от размеров элементов, их взаимного расположения и рисунка межсоединений. Все эти свойства определяются в процессе технологического проектирования. Топология ИС - чертеж, определяющий форму, размеры и взаимное расположение элементов и соединений в плоскости, параллельно плоскости кристалла. Кристалл - часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы ИС, межэлементные соединения и контактные площадки. Поскольку элементы и соединения формируются путем последовательного образования отдельных слоев (рисунок 6: коллекторный слой, базовая обл. и т.д.), то различают общую и послойную топологию. n+ p n p n T P R Рисунок 6 - Фрагмент ИС с диффузионно - планарной структурой При заданном наборе элементов топология определяет функциональные свойства ИС. На практике, для экономичности производства ИС узкого специального применения используется базовый кристалл, представляющий собой базовую пластину - заготовку с набором элементов и сплошной металлизацией. Доработка ведется с помощью фотошаблона. Один из технологических параметров ИС - степень интеграции. Фактором, ограничивающим степень интеграции, является технологический фактор. В процессе производства интегральной МС нельзя заменить неисправный дефектный элемент. В этом случае вся ИС бракуется. Плотность дефектов в свою очередь определяется качеством технологического процесса, прежде всего процесса фотолитографии - процесса избирательного травления поверхностных слоев с применением маски. Пример: формирование окисной маски ; с помощью которой формируется р- и n- области (рисунок 7). окисление поверхности пластины SiO2 Si прокол в фотослое нанесение фотослоя дефект в фотошаблоне экспонирование через фотошаблон 'проколы' в фотомаске проявление и образование фотомаски травление окисла и снятие фотомаски 'проколы' в окисной маске Рисунок 7 -Формирование окисной маски При наличии микропроколов в слое окисной пленки примесь проникает, образуя незапланированные микрообласти. Причины 'проколов': неоднородности светочувствительного слоя (пыль), дефекты в рисунке фотошаблонов. Следовательно, элемент выходит из строя при попадании дефекта в некоторую критическую зону. (Пример: дефект на границе коллекторной и базовой зон - возникает ток утечки через переход, пробой перехода). Если дефекты в области контактных площадок, то паразитные контакты, замыкания и т.д. Вероятность получения годного кристалла можно определить как P  e  Skpd где, Sкр - критическая площадь; d - среднее число проколов на 1 ед. площади. Из выражения видно, что возрастание степени интеграции уменьшает вероятность выхода годных ИС, если площади элементов и качество процесса фотолитографии остается преж- ними. Необходимые условия: уменьшение площади элемента и совершенствование процессов фотолитографии. Для выбранной ИС минимальные размеры элемента зависят от возможностей фотолитографического процесса, которые характеризуются тремя основными параметрами: 1. Минимальным размером элемента, надежно воспроизводимым на пластине (иначе называется разрешающая способность процесса); 2. Предельным отклонением размеров элемента одного топологического слоя от номинального; 3. Предельным смещением рисунка топологического слоя от предыдущего. Как видно, все это носит характер технологических ограничений и учитывается при топологическом расчете. Интегральные микросхемы обладают по сравнению с дискретными элементами рядом особенностей, которые необходимо учитывать при конструктивно-технологической реализации: 1. Дискретные элементы могут выполнять законченные функции электрической схемы только при совместном использовании, а микросхемы являются самостоятельными функционально сложными электронными приборами. 2. Параметры элементов ИМС сильно взаимосвязаны, поскольку расположены на близком расстоянии. Поэтому взаимосвязь параметров и их зависимость от температуры учитывается при проектировании ИМС. 3. Для увеличения эффективности производства ИМС необходимо обеспечить высокий процент выхода годных – процент годных ИМС в партии, полученных при строгом соблюдении технологических норм и режимов на каждой стадии технологического процесса. Весь процесс изготовления ИМС можно разделить на 2 этапа: 1. Заготовительный - заканчивается изготовлением пластин-заготовок с областями, идентичными для различных схем. 2. Специальной обработки – в пластине формируются области, характерные для данной серии ИМС. Большое значение в производстве ИМС играет требование чистоты производства, что означает использование веществ, практически не содержащих примесей, и обеспечивается очисткой окружающей среды. В помещении обеспечивается соответствующий микроклимат (температура, влажность воздуха и скорость его перемещения). 3.2 ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ Напомним, что полупроводниковая структура ИС формируется в монокристаллическом теле полупроводника с помощью технологических операций. Создаются области, обладающие дырочной (р-область) и электронной(n-область) проводимостью. Основная часть МС - np - или - pn - переходы. Образованные области по своим функциям соответствуют дискретным элементам (транзистор, резистор, конденсатор и т.д.). Токоведущие дорожки создаются нанесением на поверхность полупроводника инверсного слоя высокой проводимости. Такая полупроводниковая ИС представляет собой законченное изделие. При проектировании ИС необходимо учитывать ряд конструктивно- технологических принципов: 1. Качество межэлементной изоляции (характеризуется удельной емкостью пФ/мкм2); 2. Площадь, занимаемую функциональным элементом ИС; 3. Количество циклов избирательного легирования; 4. Количество циклов фотолитографии. Полупроводниковые ИС выполняются по различным технологиям и имеют следующую структуру: 1. Диффузионно - планарная; 2. Эпитаксиально - планарная; 3. Эпитаксиально - планарная со скрытым слоем; 4. Структура с диэлектрической изоляцией; 5. Изопланарная; 6. Полипланарная. Кратко остановимся на перечисленных структурах ИС. Во всех структурах основой является пластина монокристаллического кремния. Геометрические и структурные требования к пластинам следующие: 1. Совершенная кристаллическая решетка как по объему, так и в поверхностном слое; нарушения структуры могут вызвать появление дефектов в эпитаксиальном слое, исказить фронт диффузии; 2. Шероховатость поверхности должна быть не ниже 14б - 14в классов (Rz=0.05-0.032 мкм); (h микронеровностей в несколько раз меньше толщины пленки фоторезистора, что уменьшить вероятность локальных дефектов вытравленного слоя); 3. Прогиб пластин - не более 8-10 мкм (иначе зазор между пластиной и фотошаблоном вызывает дифракцию света, искажение рисунка фотомаски); 4. Неплоскостность и неплоскопараллельность должна быть в пределах 10 мкм, влияниеаналогично прогибу; 5. Разнотолщинность пластин в пределах партии не должна быть более 5-8 мкм, отклонение по диаметру 0.5 мм; должна быть идентичность при обработке для воспроизводимости результатов в партии микросхем; 6. Пластины должны иметь технологические элементы: базовый срез и фаску. Базовый срез указывает направление наилучшего расположения кристалла с точки зрения качества разделения пластины. Базовый срез образуется снятием фаски с металлического слитка. Фаска по контуру подложки повышает качество выполнения ряда операций. Например, наиболее плотное прилегание фотошаблона и т.д. Полупроводниковые структуры получают различными методами. Базовые технологии планарная технология, эпитаксия, мезатехнология. Планарная технология . Отличительная особенность технологии заключается в неоднократном повторении одинаковых технологических операций: получение маскирующей пленки, литография, легирование в процессе производства пластины (рисунок 8). Пленка и литография необходимы для получения на поверхности пластины контактной маски; легирование - для получения с помощью маски локальных участков с противоположной / или повышенной/ проводимостью по отношению к остальной части пластины. 1 2 3 Si p n n p n нанесение слоя окисла P n фотолитография, вытравливание окон вводятся атомы примеси (диффузией) p n n p n p n n p p n n p n металлизация поверхности (межсоединения) Рисунок 8 - Схема планарного процесса Каждая группа обработок завершает формирование определенного технологического слоя. Количество повторений определяется конструкцией ИС. Если выполнен первый ряд технологических обработок завершен металлизацией, то получается планарный дискретный диод. Если выполним первый и второй ряд, то получится дискретный транзистор; если три ряда - интегральный транзистор. Если во втором ряду технологических операций мы не будем в нужных местах вскрывать окна, то получим резисторы и т.д. Повторяемость - это универсальность технологии. На пластине формируется элементы множества микросхем, т.е. можно использовать групповую технологию. Групповая технология высокопроизводительна, обладает хорошей воспроизводимостью параметров и пр. Возможности планарной технологии широки. Эпитаксия (эпитаксиальное наращивание полупроводниковых слоев). Улучшить параметры полупроводниковых микросхем, воспроизводимость, увеличить процент выхода годных изделий, снизить себестоимость позволяет наращивание монокристаллических полупроводниковых слоев на полупроводниковых пластинах. планарный диод Низкоомная пластина, наращивается высокоомный слой; низкоомная часть - как поддерживающее основание; элементы формируются в эпитаксиальном слое с нужным для кристаллов удельным сопротивлением. Мезатехнология. Меза - стол, плоскогорье. Применительно к технологии - это выступающие над поверхностью пластины столбики, разделенные воздушными промежутками, которые получают вытравливанием. Достоинство метода: плоская граница p-n- перехода; меза - переходы имеют меньшую площадь, меньшую барьерную емкость, более высокое быстродействие. Недостатки: большая площадь, занимаемая воздушными промежутками; пониженная надежность микроэлектронных соединений из-за нарушения плоскости рабочей поверхности пластины. 3.3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ Технологический процесс изготовления ИС зависит от структуры и конструкции корпуса. Количество операций может достигать 200. По назначению и месту, занимаемому в общем процессе изготовления ИС, все операции объединяются в частные технологические процессы, которые могут быть объединены в три группы: 1. Заготовительные процессы. Цель - получение монокристаллических полупроводниковых слитков определенного типа электропроводности; резка на пластины; обработка поверхностей с заданным качеством; изготовление отдельных деталей и узлов корпуса микросхем. 2. Обрабатывающие процессы объединяют все операции, необходимые для формирования структуры ИС в пластинах, контроль функционирования. Сюда включаются процессы окисления, диффузии примесей, эпитаксии, полной имплантации, фотолитографии, химической обработки. 3. Сборочно - контрольные процессы. Включают разделение групповой пластины на отдельные кристаллы, монтаж кристаллов в корпусах, разварка выводов, герметизация, контроль, механические и климатические испытания, окраска, маркировка и упаковка. Особенности структуры ИС, черты технологии отражаются второй группой. Характер, последовательность операций, составляющих процессы второй группы, полностью определяются типом структуры; а режимы обработки на отдельных операциях зависят от толщины и электрофизических свойств слоев и областей структуры. Основные этапы изготовления полупроводниковых ИС : 1. Изготовление фотооригиналов и фотошаблонов; 2. Обработка поверхностей партии подложек; 3. Формирование в кристаллах структур на базе элементов транзистора; 4. Изготовление внутрисхемных соединений; 5. Сборка и герметизация микросхем; 6. Контроль (пооперационный, выходной) и испытания. Отдельные этапы (фотолитография, контроль и т.д.) включают от 3 до 10 операций, выполняемых по типовым технологическим процессам и технологическим инструкциям. Отметим, что цель межоперационного контроля параметров слоев заключается в слежении за стабильностью техпроцесса, корректировке режимов обработки. Контроль на правильностью функционирования возможен лишь на завершающем этапе - получение межсоединений и контактов. Зондовый контроль выполняется на установках путем перемещения пластины под головкой, несущей зонд (контактные щупы) с шагом, соответствующим размерам ячейки, и последовательного контактирования зондов с периферийными контактами каждой ячейки. Ячейка годна - сигнал на перемещение на шаг; брак - сигнал на маркирующее устройство, которое ставит метку. Монтаж кристалла в корпус - это установка его с помощью приклеивания или пайки на основание корпуса. Способ герметизации (пайка, сварка, заливка и т.д. ) определяется конструкцией корпуса. Монтажно - сборочные операции чередуются с контролем, цель которого - не пропустить брак на дальнейшую обработку. Схема технологического процесса изготовления ИС приведена на рисунке 9. подложка кремний Подготовка подложек Полировка Изготовление элементов Окисление, фотолитография, диффузия Разделение на кристалы Резка и ломка Монтаж кристалла в корпус Пайка на основание корпуса Присоединение выводов пайка герметизация Рисунок 9 -Схема технологического процесса На завершающем этапе производится электрический контроль по статическим и динамическим параметрам, их классификация, маркировка, выборочные климатические и механические испытания. По длительности основную часть техпроцесса занимают этапы формирования структуры ИС. Поэтому необходимо уделять внимание снижению трудоемкости. Необходимо использовать групповую обработку, автоматические средства сборки и контроля; разработку корпусов, позволяющих применять групповое контактирование, автоматическую подачу и ори- ентацию изделий при сборке, контроле; разработку перспективных технологических методов. 3.4 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТОПОЛОГИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Формирование топологии МС осуществляется с помощью фотошаблонов. Сами фотошаблоны и передача топологического фоторисунка на технологический слой микросхемы выполняется с помощью методов литографии (litos - камень, grapho - пишу, рисую). В зависимости от типа применяемого излучения различают оптическую, рентгеновскую, электронную и ионную литографии. Рассмотрим оптическую литографию (фотолитографию). Для стандартной фотолитографии применяются фоторезисты - материалы, чувствительные к ультрафиолетовому излучению с длиной волны =310-450 нм. Фоторезисты - сложная полимерная композиция, в состав которой входят фоточувствительные и пленкообразующие компоненты, растворители, специальные добавки. Различают позитивные и негативные фоторезисты. Позитивные ФР - резисты, растворимость которых в проявителе увеличивается после облучения. Негативные ФР - резисты, практически нерастворимые после облучения. Основной инструмент фотолитографии - фотошаблон, c помощью которого производится локальное облучение фотослоя в соответствии с топологией микросхем. Фотошаблон - плоскопараллельная пластина из прозрачного для УФ-излучения материала с нанесенным на ее рабочую поверхность непрозрачным пленочным рисунком, соответствующим топологии одного из слоев структуры микросхем. Основой фотошаблона является оптическое стекло или полимерные пленки, которые хорошо обрабатываются и не изменяют свойств под действием излучения. Для получения рисунка применяются галоидно-серебряную фотографическую эмульсию, металлы, полупрозрачные оксиды и другие материалы. Коротко рассмотрим технологический процесс фотолитографии. Основные этапы литографии: 1. Формирование слоя резиста; включает в себя подготовку поверхности, нанесение резиста, термообработку; 2. Передача рисунка на слой резиста (формирование резистивной маски); включает совмещение и экспонирование, проявление резиста, термообработку; 3. Передача рисунка на материал формируемого слоя структуры ИС, включает удаление материала (травление) или нанесение материала, например, пленки металла; удаление фоторезистивной маски. Первый этап - формирование фотослоя: должен обеспечиваться равномерный по толщине фотослой. При этом подготовка подложек к нанесению фоторезиста индивидуальна и зависит от материала подложки, технологии его получения, дальнейшего назначения фотомаски. Подложка - это тот материал, на котором формируют резистивный слой. Так в полупроводниковой микросхеме фотолитографию проводят по монокристаллическому кремнию, пленке окиси кремния и т.д. Нанесение слоя фоторезиста выполняется распылением, окунанием. Сухие фоторезисты наносят накаткой. Термообработка выполняется после нанесения слоя жидкого резиста, в результате чего удаляется растворитель, происходит процесс, увеличивающий адгезию фотослоя к подложке. Второй этап - формирование фотомаски: в фотослое формируется топологический рисунок. Экспонирование выполняется контактным способом или с зазором. Экспонирование контактным способом выполняется после устранения зазора до полного контакта шаблон-подложка с помощью вакуумного или пневматического прижима. Время экспонирования контролируется, обеспечивается электромагнитным затвором. Экспонирование с зазором отличается только тем, что после совмещения шаблона и подложки имеется зазор 10-20 мкм, при котором выполняется облучение фотослоя. Проявление - это процесс удаления лишних в фотослое участков в соответствии с облучением при экспонировании. Проявление негативных ФР - это растворение необлученных участков в растворителе. Проявление позитивных ФР - это растворение облученных участков. Термообработка необходима для удаления воды, проявителя, повышения адгезии фотомаски к подложке. Третий этап - передача рисунка фотомаски на материал подложки выполняется двумя способами: травление и нанесение материала, например, пленки металла. Производится удаление фотомаски с целью очистки от всех загрязнений подложки в процессе фотолитографии. 3.5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА БОЛЬШИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Ранее было отмечено, что степень интеграции микросхем сдерживается несовершенством технологии и снижением эффективности производства из-за повышения брака. Кроме этого повышение сложности выполняемых функций ведет к потере универсальности в применении, а следовательно, к уменьшению объема выпуска, что также экономически невыгодно. Появляется необходимость разработки большого числа типов БИС, что также ведет к росту расходов на проектирование и изготовление. Производство БИС на предприятиях, специализирующихся на выпуске ИС широкого применения, экономически невыгодно. Наиболее целесообразным является сосредоточение на одном предприятии изготовления СБИС и систем на их основе. При этом появляется возможность обеспечить специализацию, качество и надежность. Многофункциональность и универсальность могут быть достигнуты прежде всего избыточностью элементов, с помощью которых можно менять функциональные свойства схем. Различают два направления разработок и производства БИС: 1. Базируется на схемотехнических решениях и связано с разработкой микропроцессорных БИС. Микропроцессор представляет собой технологически завершенное устройство обработки информации. Функциональные возможности можно заменить сменой программы. Логическое проектирование заменяется программированием; цикл разработки сокращается, объем производства растет. 2. Основано на специальной организации производства и связано с выпуском базовых кристаллов. Базовый кристалл - технологически незавершенный, и в определенной степени, универсальный кристалл, в котором синтез БИС достигается проектированием и изготовлением соответствующих соединений. Конструктивно базовый кристалл представляет собой совокупность регулярно расположенных топологических фрагментов, между которыми предусмотрены свободные зоны. Как правило, для доработки матриц требуется два уровня металлизации. Совокупность идентичных базовых кристаллов образуют групповую кремниевую пластину, для обработки которой используют групповой фотошаблон. При любом уровне технологии необходимы компромиссные решения между характеристиками БИС, сложностью технологического процесса и процентом выхода годных изделий. При изготовлении БИС используют различные виды технологий: изопланарная, изолирующих пластин, поликристаллических пластин и т.д. Отличие заключается в следующем: с ростом степени интеграции, кроме увеличения числа элементов, происходит рост числа их соединений и их пересечений. В связи с этим одноуровневые соединения, применяемые в ИС малой и средней интеграции, не достаточны. Применяются многоуровневые системы межсоединений, причем необходимо обеспечить: 1. Качественный и надежный контакт между уровнями в контактных переходах; 2. Целостность металлических проводников на ступеньках изолирующего слоя; 3. Надежную изоляцию между уровнями межсоединений. Чаще всего применяется многоуровневая металлизация на основе системы " металлдиэлектрик-металл" (МДП). Технологический процесс изготовления многоуровневой металлизации включает следующие этапы (рисунок 10): 1. Осаждение первого слоя металла и формирование рисунка межсоединений первого уровня с помощью фотолитографии; 2. Осаждение диэлектрического слоя и формирование контактных окон методом фотолитографии; 3. Осаждение второго слоя металла и формирование рисунка межсоединений второго уровня с помощью фотолитографии и т.д. Рисунок 10 - Многоуровневая металлизация В качестве диэлектрика используется SiO2, нитрит кремния, оксиды алюминия, титана и т.д. Особое значение придается технологическим приемам нанесения слоя металла и диэлектрика, обеспечивающим равномерную толщину слоев. Пример: осаждение путем ионного распыления диэлектрика; термическое вакуумное распыление в качестве металла межсоединений. Технология БИС и СБИС непрерывно совершенствуется и обеспечивает создание СБИС с числом элементов на кристалле до 1 млн. Отметим, что технология БИС и СБИС может успешно развиваться только в чистых и сверхчистых условиях, когда человек изолирован от технологического пространства. А поэтому учесть множество факторов, сложность расчетов при проектировании, требовании высокой точности соблюдения технологических режимов, выполнение контрольных операций с обратным воздействием на техпроцесс - это возможно только с созданием и применением автоматизированных систем проектирования и производства. 3.6 ТЕХНОЛОГИЯ ПЛЕНОЧНЫХ МИКРОСХЕМ В зависимости от метода нанесения пленочных элементов на подложку различают тонкопленочные и толстопленочные микросхемы. Тонкопленочная ИС - интегральная микросхема с толщиной пленок до 1 мкм, элементы которой изготавливаются - методом вакуумного распыления и осаждения. В производстве тонкопленочных ИС широко используется фотолитография, позволяющая формировать элементы миниатюрных размеров. Толстопленочная микросхема изготавливается - методом трафаретной печати с толщиной пленок в десятки мкм. Требования к разрешающей способности процесса, к точности размеров элементов, их совмещению ниже, т.к. размеры элементов относительно больше по сравнению с полупроводниковыми ИС. А значит снижены требования к фотошаблонам, возможно применение масок-трафаретов. Используются техпроцессы, в которых слои получаются напылением через трафареты или нанесением сплошного слоя с последующей фотолитографической обработкой. Получение рисунка элемента напылением через трафарет называется методом свободной маски и заключается в экранировании с помощью маски нужных участков подложки от потока частиц напыляемой пленки. Маски изготавливаются во вспомогательном технологическом процессе и применяются многократно. Структура конденсатора проводящие пленки верхней и нижней обкладок конденсатора диэлектрическая пленка Методы получения пленок различны: термовакуумное напыление (поток пара вещества и его конденсация на поверхности подложки, температура которой - ниже температуры пара); распыление ионной бомбардировкой (распыление материала в плазме газового разряда, обычно пленки тугоплавких материалов, сплавов и пр.) ; химическое осаждение из парогазовой фазы (пары исходных соединений реагируют с веществом подложки, в результате образуется пленка в твердой фазе, побочные продукты удаляются ) и т.д. Типовой технологический процесс производства тонкопленочных гибридных МС (рисунок 11). очистка и напыление контроль пленочных подложек структур функциональный контроль герметизация резка подложек фотолитография монтаж компонентов на подложке испытания контроль и подгонка элементов монтаж подложки в корпус контроль, маркировка и защита Рисунок 11 - Технологический процесс изготовления пленочных микросхем Качество тонких пленок зависит от качества подготовки поверхности подложки, качества источника частиц пленки, точности соблюдения технологических режимов и условий и т.д. Основные дефекты тонких пленок: отклонение значений электрических параметров от заданных; несоответствие заданной толщине пленки, неравномерность толщины по площади подложки и в партии, пористость, визуально наблюдаемые вздутия, отслаивания, трещины и пр. Поэтому контроль выполняется еще до поступления в сборку, ведется контроль отдельных операций (напыления, фотолитографии т.д.). Толстопленочные ИС изготавливаются методом трафаретной печати. Сущность метода заключается в механическом продавливании специальных паст через отверстия в маске и последующей термообработке для обеспечения необходимых свойств. Преимущества технологического процесса таких микросхем: 1. Низкая трудоемкость (по сравнению с тонкопленочными меньше в 3 раза); 2. Менее дорогостоющее, простое оборудование, материалы, высокий процент выхода годных ИС ( 80-100% ) ; 3. Толстопленочная технология позволяет проводить контроль и исправление брака после каждой операции; 4. Толстопленочные элементы могут работать в жестких условиях (от -180 до + 3000 С ) при резком перепаде температур; 5. Большая толщина пленки (до 250 мкм) позволяет уменьшить вредные наводки, паразитные емкости, что особенно важно для создания многоуровневой металлизации. Пасты - исходный материал для формирования элементов, содержат три компонента: 1. Функциональный; 2. Конструктивный; 3. Технологический. Функциональная составляющая придает свойства пастам: проводниковые, резистивные, диэлектрические. В зависимости от этого используются различные вещества: серебро, золото и их сплавы, медь, никель для проводниковых паст; палладий, оксиды кадмия, индий для резистивных паст; порошки сегнетоэлектриков - для электрических паст (титанат бария, оксид иттрия Y2O3 - и т.д.). Конструктивная составляющая обеспечивает равномерное распределение частиц, адгезию пленки к подложке, которая в процессе изготовления не удаляется. Технологическая составляющая - временные связующие и растворители, которые вводятся для обеспечения равномерного распределения компонентов в процессе изготовления пасты, придания вязкости. После нанесения пасты на подложку они удаляются в процессе термообработки. Адгезия (лат. прилипание) - сцепление поверхностей разнородных тел. Типовой процесс изготовления толстопленочной микросхемы приведен на рисунок 12. подготовка подложек трафаретная повторение для формирования печать необходимого количества технологических слоев термообработка подгонка элементов монтаж навесных элементов подсоединение выводов герметация контроль Рисунок 12 - Техпроцесс изготовления толстопленочной микросхемы Термообработка нужна для сушки и удаления летучих веществ из пасты, вжигания, для удаления органических связок и спекания пасты для лучшего качества контакта. При этом часто используется подгонка - удаление части материала, которая изменяет структуру элементов. Требование выполнить разработку сложных функциональных устройств в миниатюрном исполнении решается с помощью микросборок - объединения ряда кристаллов ИС средней степени интеграции с помощью пленочных межсоединений на общей диэлектрической подложке и в общем корпусе. В общем случае микросборка - микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию и состоящее из элементов, компонентов, и/или интегральных микросхем, других электрорадиоэлементов. Технологические особенности микросборок. 1. Повышенная мощность рассеяния, поэтому в качестве подложки используются керамические материалы с высокой теплопроводностью. 2. Многоуровневые соединения. Используют различные варианты получения многоуровневых межсоединений, которые могут быть классифицированы по признаку метода, используемого для получения межслойной изоляции: а) локальная изоляция (слой изолирующий только в местах пересечений ); б) сплошной слой изоляции (с последующем вскрытием окон для контактных переходов); в) изоляция полимидным лаком (ПАК-1); г) изоляция полимидной пленкой (все соединения - на гибкой пленке толщиной 40 мкм); д) изоляция анодированным алюминием. 3.7 СБОРКА МИКРОСХЕМ Сборке всегда предшествуют две операции: электрический контроль и разделение пластины на кристаллы. Электрический контроль микросхем выполняется еще на пластине (до разделения на кристаллы), т.к. проще автоматизировать процесс контроля. Чаще всего используется зондовый контроль, суть которого заключается в контактировании настроенных зондов с контактными микросхемами, проверке контрольной аппаратурой результатов контроля, маркировке бракованных микросхем. После автоматического зондового контроля электрических параметров пластины разделяют на отдельные структуры. Разделение очень сложный процесс, сложность обусловлена твердостью и хрупкостью материала, из которого сформированы элементы и их соединения. Поэтому предъявляют очень высокие требования к процессу разделения, который выполняют методами абразивной обработки, обработки лазерным лучом, химическим травлением. Процесс сборки микросхем включает следующие сборочные операции: монтаж кристаллов, присоединение выводов, герметизация. Коротко рассмотрим сборку ИС. Методы монтажа микросхем: пайка, сварка, склеивание. Выбор метода и технологического режима сборки определяется типом корпуса и его материалом. В настоящее время создана и используется большая гамма корпусов. Корпус необходим для защиты кристалла от воздействий. Он состоит из крышки и основания. Кристалл устанавливается на основание, присоединяются выводы, затем крышка и герметизация. В настоящее время используется большая гамма корпусов. Основные характеристики – герметичность, теплопроводность, электрическая и механическая прочность, габаритные и присоединительные размеры. По внешнему конструктивному исполнению они подразделяются на прямоугольные, квадратные, круглые с различным расположением выводов. Габаритные и присоединительные размеры каждого типа корпуса строго стандартизованы. Конструкция корпусов По внешнему конструкторскому оформлению (исполнению) корпуса разделяют на 5 типов корпусов: 1. прямоугольный с выводами в пределах проекции корпуса с перпендикулярным расположением выводов. 2. прямоугольный с выводами за пределами проекции корпуса с перпендикулярным расположением выводов. 3. круглый 4. прямоугольный с выводами за пределами проекции корпуса с параллельным расположением выводов. 5. прямоугольный без выводов. 1 тип включает 4 подтипа:  подтип 11 - плоская форма высотой 20мм, расположение выводов однорядное, число выводов однорядное, число выводов n=7,9 с шагом 2,5мм.  подтипы 12,13,14 отличаются расположением выводов вдоль длинных сторон, по контуру, линейно-многорядное. 2 тип включает 2 подтипа, отличаются расположением выводов вдоль длинной стороны: 21 - отгибка выводов одинаковая 22 - отгибка разная. 21 Условное обозначение корпусов 22 Тип, типоразмер, число выводов, порядковый регистрационный номер: 201.14-10 2 - прямоугольный с расположением выводов вне проекции корпуса 01 - типоразмер 14 - число выводов 10 - рег.№. По ГОСТ 17467-79 1202.14-1 1 - тип 2 - подтип 02 - типоразмер В зависимости от материала корпуса подразделяются на: - керамические; - металлокерамические; - стеклянные; - металлостеклянные; - металлополимерные; - пластмассовые; - полимерные. В керамических корпусах основание и крышка изготовлены из керамики, герметизация выводов стеклоприпоем. В металлокерамических корпусах керамическое основание и металлическая крышка, герметизация выводов припоем. В стеклянных корпусах основание и крышка стеклянные, стеклянное основание армируется рамкой и выводами. В металлостеклянных корпусах металлическое основание и крышка, изоляция выводов от основания производится пайкой стеклом. Наиболее надежны металлополимерные корпусы, в которых большая часть защищена металлическим кожухом. Детали корпусов изготавливаются различными методами, металлические детали - методом горячего литья керамической массы и т.д. Крепление кристалла к корпусу зависит от выбора материала присоединительного слоя: клея, стекла, припоя и т.д. Клеевые соединения не требуют сложного оборудования, легко выполняются, но не всегда обеспечивают хорошее качество контакта. Используются клеевые соединения различных марок ( ВК-2, ВК-4, ВК-8 и т.д.). Для получения соединения клей дозировано наносят на поверхности, приводят их в контакт. Прочность соединения зависит от качества подготовки склеиваемых поверхностей. Соединение стеклом включает нанесение стеклянного порошка или пасты, сжатие соединяемых поверхностей в кассете, сушку, оплавление в печи. Пайка припоями наиболее механически прочная, имеет хорошее согласование и высокую тепло- и электропроводность. Например, в металлокерамических корпусах пайка осуществляется стеклом, в керамических корпусах монтаж внешних выводов также выполняется стеклом. При выборе крепления учитывают следующие требования: простота процесса, отсутствие значительных механических и термических воздействий, возможность автоматизации и механизации процесса, воспроизводимость геометрических параметров соединения. Процесс крепления состоит из: 1. Подготовки поверхности основания и нанесение присоединительного материала (клей, стекло, припой). 2. Ориентированной установки кристалла (подложки) на основание. 3. Присоединения, которое обычно выполняется под давлением и с нагревом. Присоединение выводов выполняется после установки кристаллов. Эта операция завершает выполнение всех электрических соединений. Для присоединения выводов используются различные способы: пайка, сварка. Герметизация микросхем проводится для полной изоляции элементов МС и электрических соединений от контакта с окружающей средой. Выбор способа герметизации зависит от конструкции корпуса МС. По конструктивно-технологическим признакам герметизацию различают: - корпусную (изготовление элементов крышки, оснований с выводами, вспомогательных деталей; после контакта кристалла с основанием и присоединения выводов присоединяют крышку, организуется полный и замкнутый объем); - бескорпусную (предварительно изготавливают систему выводов; процесс герметизации совмещают с изготовлением корпуса; кристалл с выводами заливается компаундом; герметизирующие компаунды выполняют на основе эпоксидных, полиэфирных смол); - комбинированную (изготавливается капсула в виде металлического колпачка, в ней устанавливают сборку подложки с выводами, которую заливают компаундом). Наиболее качественная герметизация обеспечивается металлическими, стеклянными и керамическими корпусами. После герметизации выполняют электрические, климатические, механические испытания с целью устранения скрытых дефектов, причины которых в несовершенстве конструкции используемого материала, режима, технологической документации и т.д. В процессе испытания отбраковываются микросхемы со скрытыми дефектами, следовательно, повышается надежность ИС в условиях эксплуатации. Заключительные технологические операции: внешнее оформление, обеспечивающее защиту от внешних воздействий, окраска корпуса, маркировка, покрытие лаком, облуживание выводов. Затем микросхемы помещают в специальную тару; каждую ИС - в свое гнездо, затем прокладки; коробки оклеивают бандеролью с указанием типа и количества микросхем. Условное обозначение микросхем К155 ИЛ-1П К - условия приемки 1 - конструктивно-технологический признак 55 - номер серии ИЛ - функциональный признак (подгруппа) 1 - порядковый № П - отличие параметров в подгруппе(м.б.замечена цветной точкой) КР155 Р - особенности конструктивного исполнения Р - пластмассовый корпус 2 типа М - керамика 2 типа Л - керамика 4 типа Н - металлостеклянный или металлополимерный корпус 4 типа У - металлостеклянный корпус 3 типа 1,5,7 - полупроводниковые МС 2,4,8 - гибридные МС 3 - пленочные МС 4 КОНСТРУКТИВНЫЕ МОДУЛИ ПЕРВОГО УРОВНЯ Типовая конструкция первого уровня предназначена для механического крепления и электрической коммутации входящих в нее элементов нулевого уровня. В типовых конструкциях можно выделить следующие составные части: несущие детали (служат для размещения и защиты от внешних воздействий деталей, входящих в сборочную единицу), элементы крепления и стыковки типовой конструкции с модулем высшего уровня, детали крепления и фиксации конструктивных элементов, входящих в данную типовую конструкцию, элементы электрической коммутации, лицевая панель, элементы индикации и контроля. В зависимости от назначения типовой конструкции, некоторые из составных частей могут отсутствовать. 4.1 КОНСТРУИРОВАНИЕ МОДУЛЕЙ 1 УРОВНЯ Модуль 1-ого уровня иерархии - ячейка, основой которой является печатная плата ПП. Рассмотрим общие правила конструирования. Печатная плата имеет размеры B-ширина, H-высота. До 100 мм размеры В и Н различны, но кратны 2,5 мм: до 350 мм - кратны 5,0 мм: свыше 350 мм - кратны 10 мм. Максимальный размер должен быть не более 470 мм в любом направлении для плат 1 класса. Соотношение сторон должно быть не более 1:3. Стандарт МЭК устанавливает международный стандарт DIN 41494 - Европлата, в котором размеры В, мм 100 Н, мм 100; 144,5 188,9; 233,4 160 100; 144,5 188,9; 233,4 220 100; 144,5 188,9 Исходный размер 100x100 мм. Высота 100 мм соответствует высоте передней панели блока 132,55 мм, при этом 132,55 - 100 = 32,55 мм предназначено для размещения направляющих и средств крепления ПП в корпусе. Шаг наращивания Н ограничивается шагом по МЭК 44,45 мм. Ширина В имеет шаг наращивания 60 мм. Предпочтительны размеры 100х160 мм (тип С) и 233,4х160 мм (типF). Они получили наибольшее распространение. Типоразмеры фирмы "DEC" разделены на 3 группы: в первых двух постоянна высота 127 и 254 мм, в третьей группе постоянна ширина 215 мм. Соответственно в группе меняется В или Н. Размеры ПП выбирают, исходя из плотности компоновки, которая зависит от размеров и количества микросхем и вида связей. ПП имеет односторонний или двусторонний печатный монтаж, на поле крепят все детали - микросхемы, разъѐмы, ручки, ключ, контрольные гнѐзда и т.д. Всѐ поле ПП делится на два - основное и дополнительное. Основное поле служит для монтажа микросхем; дополнительное поле предназначено для установки остальных конструктивных элементов (рисунок 12). Основной метод геометрической компоновки - плоскостной многорядный. Элементы устанавливаются с одной или двух сторон ПП. Внутренние связи выполняются печатным монтажом, но допускается и навесной монтаж. Дополнительное поле делят условно на подучастки А,Б,В1,В2,где поле А предназначено для размещения разъѐма; la определяется посадочным местом разъѐма.Если разъѐм ГРПМ3, la=15мм; ГРПМ1=20мм (61 контакт). Б lБ В2 lВ В1 ty lВ tx LY А lA LX Рисунок 12 - Печатная плата Поле Б предназначено для размещения контрольных гнѐзд, ручек, съѐмников и т.д. Размер lб определяется типом и числом размещаемых элементов, но не должен превышать 10 мм. Поля В1, В2 используются для размещения маркировки ячейки, штампов ОТК и заказчика, вспомогательных надписей. Размер не менее 2,5 мм, но не более 10мм. Основной участок делят на зоны, координаты задают числами и буквами алфавита, т. е. положение элемента строго координировано. Размеры определяются шагом расположения микросхем по обеим координатам (tx и ty).Шаг переменный, но кратен 2,5 мм. Максимальное число микросхем, которое можно установить на ПП размерами Lx, Ly, определяется как N max  L X  21B LY  l A  lb tX tY Шаг установки микросхем зависит от размеров корпусов, температурного режима, топологии ПП. В справочной литературе приведены габаритные и присоединительные размеры микросхем, ЭРЭ. Контрольные гнезда необходимы для контроля работоспособности ячейки во включенном состоянии. Различают печатные, гнездовые, штыревые гнезда. Наиболее простые - печатные, представляющие собой металлизированные отверстия. Ручки нужны для извлечения ячеек из панели, блока. Применяются при небольшом числе контактных пар, где усилие невелико. Часто используются рычажные съѐмники. В конструкции ячейки обязательно предусмотрен ключ для предохранения от неправильной ориентации в рабочем гнезде типовой конструкции следующего уровня. В качестве ключа используется несимметричность разъѐма; штыри-ловители, установленные на плате, несимметричность установки разъѐма на плате. Разъѐм необходим для осуществления разъѐмных соединений. Выполняется в виде вилки или розетки контактного усилителя. Для установки используется поле ПП с печатными ламелями. Количество печатных ламелей определяется числом контактов розетки. 4.2 КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ В настоящее время разработано большое число конструктивно-технологических разновидностей печатных плат ( ПП ). Классификация ПП приведена на рисунок 13. Односторонние ПП представляют собой диэлектрическое основание с отверстиями, пазами и т.д., на одной стороне которого выполнен проводящий рисунок, а на другой - размещают при сборке интегральные микросхемы и электрорадиоэлементы. Наиболее просты по конструкции и дешевы при изготовлении ОПП без металлизированных отверстий. Более сложны в изготовлении и более надежны в эксплуатации ОПП с металлизированными отверстиями. Двухсторонние печатные платы (ДПП) имеют проводящий рисунок на обеих сторонах основания. Необходимые соединения выполняют с помощью металлизированных отверстий и контактных площадок. ДПП позволяет реализовать сложные схемы. Наиболее распространены ДПП на диэлектрическом основании. Металлические ДПП с изоляционным покрытием имеют лучший теплоотвод. Многослойные ПП (МПП) состоят из слоев изоляционного материала и проводящего рисунка. Между проводящими слоями могут быть или отсутствовать межслойные соединения. Существует много разновидностей МПП: МПП с выступающими выводами, с открытыми контактными площадками, с послойным наращиванием рисунка, МПП со сквозными металлизированными отверстиями и т.д. Гибкие ПП (ГПП) имеют эластичное основание, выполняются двусторонними с металлизированными отверстиями, контактными площадками. ГПП (шлейфы) состоят из одного или нескольких проводящих слоев, на которых размещены печатные проводники. Гибкие кабели хорошо выдерживают перегибы, вибрации, применяются для соединения узлов и блоков ЭВА. 4.3. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ Методы изготовления печатных плат подразделяются на: 1. Субтрактивные - проводящий рисунок образуется за счет удаления проводящего слоя с участков поверхности, образующих непроводящий рисунок (пробельные места); 2. Аддитивные - проводящий рисунок образуется нанесением проводящего слоя заданной конфигурации на непроводящее основание плат; 3. Полуаддитивные - проводящий рисунок получают нанесением проводящего слоя на основание с предварительно нанесенным тонким проводящим покрытием, впоследствии удаляемого с пробельных мест Выбор метода зависит от конструктивного исполнения, необходимых конструктивных и эксплуатационных характеристик, технико-экономического анализа. ОПП и ГПП изготавливаются на одностороннем фольгированном диэлектрике субтрактивным позитивным методом: на медную фольгу диэлектрика защитным слоем, стойким к травлению, наносится позитивный рисунок схемы. Незащищенные участки фольги стравливаются. После удаления маски сверлятся отверстия, плата обрабатывается по контуру, на нее наносится защитное покрытие. Процесс несложен, имеет короткий технологический цикл, легко механизируется и автоматизируется, обеспечивает высокую разрешающую способность. Недостаток - эффект бокового подтравливания элементов рисунка схемы. Аддитивный метод изготовления ОПП основан на избирательном осаждении химической меди на нефольгированный диэлектрик. ДПП и ГПП изготавливаются позитивным комбинированным методом, основанным на применении двухстороннего фольгированного диэлектрика. Металлизация отверстий выполняется электрическим способом; рисунок - травлением меди с пробельных мест. После химикогальванической металлизации поверхности фольги и монтажных отверстий с помощью позитивного фотошаблона, сеткографической краски или фоторезиста наносится негативный рисунок схемы. На проводящий рисунок и отверстия, незащищенные маской, осаждают медь, металлорезист. Защитный слой снимается, проводится травление с пробельных мест слоя предварительной металлизации и фольги. Защищенный металлорезистом проводящий рисунок остается невытравленным. ДПП, выполненные аддитивным методом, имеют высокую разрешающую способность, соответствующую разрешающей способности нанесенного рисунка. Толщина меди получается одинаковой на всех участках ПП и в отверстиях. МПП изготавливаются методами, основанными на типовых операциях, применяемых в ОПП и ДПП. Специфические операции - прессование слоев, создание межслойных соединений и т.д. Наиболее распространены МПП с металлизацией сквозных отверстий. Основные этапы: изготовление внутренних слоев химическим методом, прессование слоев в монолитную структуру, сверление сквозных отверстий с их последующей металлизацией и образованием рисунка наружных слоев комбинированным позитивным методом. 4.4 ТИПОВЫЕ ОПЕРАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ Производство ПП характеризуется большим числом механических, фотохимических и химических операций. Так технологический процесс МПП включает более 100 операций, используется более 40 типов специального оборудования. При производстве ПП можно выделить типовые операции: 1. Заготовительные операции: раскрой заготовок, резка материалов, выполнение базовых отверстий, заготовка слоев МПП. Размеры слоев и заготовок определяются их габаритами и припусками. Для ОПП и ГПП припуск 3-5 мм; для МПП и ДПП припуск до 20 мм. Малогабаритные ПП до 100 мм располагают на групповой заготовке на расстоянии 5-10 мм. Резка выполняется методом штамповки или гильотинными ножами. Базовые отверстия необходимы для совмещения слоев при образовании рисунка схемы. 2. Образование монтажных и переходных отверстий. Используется два метода выполнения отверстий: пробивка на специальных штампах и сверление. Пробивка используется тогда, когда отверстия не металлизируются. Сверление обеспечивает качество отверстий (ровные стенки, без трещин, отслаиваний фольги от диэлектрика) и точность. Выполняется на автоматизированных специальных станках, контроль качества выполняется визуально с помощью микроскопов. Наличие отверстий проверяется сканированием эталонной и проверяемой плат. 3. Подготовка поверхности заготовок выполняется несколько раз на всех этапах процесса производства ПП. Различают механическую, химическую, комбинированную очистку поверхности, которая включает: а) очистку поверхности от оксидов, пленки и др. вида загрязнений; б) щелочное обезжиривание моющими средствами; в) водную промывку; г) декапирование в растворе кислоты; д) промывку в холодной и горячей воде; е) сушку; з) контроль качества поверхности. 4. Химическая металлизация заключается в химической реакции осаждения меди, используемой в качестве основного слоя при нанесении токопроводящего рисунка. Толщина слоя должна быть 0.25-1.0 мкм для полного покрытия поверхности диэлектрика и стенок отверстий однородным, сплошным, хорошо сцепляемым слоем с диэлектрическим слоем. 5. Гальваническая металлизация для предварительного увеличения тонкого слоя меди до толщины 5-8 мкм с целью нанесения рисунка схемы, образования рисунка схемы с толщиной меди в отверстиях не менее 25 мкм, нанесения металлического резиста для предохранения проводящего слоя от коррозии. 6. Нанесение рисунка схемы для получения защитной маски при травлении проводящего рисунка. Рисунок должен иметь четкие границы между областями защищенных и незащищенных участков схемы с точным воспроизведением тонких линий, быть стойким в процессе травления, не загрязнять платы какими-либо примесями, хорошо сниматься и иметь окраску для контроля нанесения. Способы нанесения: сеткографический и фотохимический. Инструменты нанесения: фотошаблоны на стекле и пленке. 7. Травление меди с пробельных мест это один из важнейших этапов нанесения рисунка. В результате образуется проводящий рисунок, качество которого зависит от резиста. Рисунок должен быть четким, сплошным и иметь необходимую толщину. 8. Оплавление металлорезиста. После травления резист окисляется, теряет способность к пайке. Для устранения этих недостатков производят оплавление с помощью инфракрасного излучения в жидкости или газе. Происходит изменение физического состояния и кристаллической структуры. Образуется кристаллическая поверхность резиста c хорошей паяемостью. 9. Обработка по контуру, маркировка, хранение ПП. Обработка по контуру выполняется вырубкой штампами или фрезерованием. Маркировка осуществляется с помощью сеткографии, нанесением символов специальными штемпелями. Маркировка состоит из товарного знака завода изготовителя, обозначения платы, заводского номера, года и месяца выпуска, монтажных сигналов и символов, облегчающих сборку. Затем выполняется контроль качества поверхности. Для хранения необходима консервация ПП с помощью ацетоноканифольного или спиртоканифольного флюса, распыляемого по поверхности. Хранение в складских помещениях, где отсутствуют пары кислот, щелочей и других химикатов; температура от 5 градусов до 40 градусов, относительная влажность до 70 % . Срок хранения 6 месяцев, затем повторный контроль печатных плат. 4 . 5 КОНСТРУКТИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ Конструкция ПП характеризуется рядом электрических, конструктивных, технологических и других параметров. Все эти параметры взаимосвязаны. К электрическим параметрам относят сопротивление печатных проводников (активное, волновое); допустимую токовую нагрузку проводников, допустимые рабочие напряжения между элементами проводящего рисунка; емкость и индуктивность проводников. Сопротивление печатных проводников определяет падение напряжения на проводниках, что необходимо учитывать при разработке электронных схем. Чтобы сопротивление не ограничивало ток в цепи, его максимальное значение должно быть рассчитано с учетом допустимой токовой нагрузки. Значения допустимых напряжений между проводниками зависит от расстояния между проводниками, от внешних воздействий, применяемых материалов. В зависимости от сложности реализуемой электрической схемы и применяемой элементной базы выбирают конструктивное исполнение платы, число слоев, плотность проводящего рисунка схемы. Число слоев . Наименее трудоемки и просты в изготовлении ОПП без металлизированных отверстий. Равны по затратам ОПП и ДПП с металлизированными отверстиями. Наиболее трудоемки МПП, число слоев которых ограничено предельно допустимым соотношением между диаметром металлизированных отверстий и толщиной платы (не менее 1/3). Толщина выбирается в зависимости от механических факторов и обычно выбирается из ряда 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 мм. Параметры элементов (ширина проводников, зазоры между ними и т.д.) зависят от требований к электрическим параметрам, надежности ПП. Установлено 5 классов точности для размеров элементов ПП. Класс точности определяет ширину проводников и расстояние между ними. - 1 класс допускает минимальную ширину проводников и расстояний между ними 0,75мм; ширина пояска контактной площадки 0,3 мм, отношение диаметра отверстия к толщине ПП 0,4. - 2 класс имеет минимальную ширину проводников и расстояние между ними на наружных слоях платы 0,45мм, ширина пояска контактной площадки 0,2 мм, отношение диаметра отверстия к толщине ПП 0,4. - 3 класс допускает минимальную ширину проводников и расстояние между ними 0 ,25мм, ширина пояска контактной площадки 0,1 мм, отношение диаметра отверстия к толщине ПП 0,33. - 4 класс допускает минимальную ширину проводников и расстояние между ними 0 ,15мм, ширина пояска контактной площадки 0,05 мм, отношение диаметра отверстия к толщине ПП 0,25 - 5 класс допускает минимальную ширину проводников и расстояние между ними 0 ,1 мм, ширина пояска контактной площадки 0,025 мм, отношение диаметра отверстия к толщине ПП 0,2. Трассировку рисунка схемы производят по координатной сетке с шагом 2,5; 1,25; 0,625мм. Для унификации используют стандартные формы и размеры контактных площадок, проводников, экранов и т.д. Допустимые рабочие напряжения для проводников плат зависят от минимальных расстояний между ними, материала диэлектрического основания. Плотность тока в печатных проводниках должна быть 20А/мм 52 в наружных слоях, во внутренних 15А/мм 52 . Ремонтопригодность возможность восстановления электрических связей, внесения схемных изменений, замены навесных элементов, установки дополнительных элементов. Конструктивное исполнение платы, плотность рисунка схемы, возможности производства определяют габариты ПП. Стандартные габариты рассматривали ранее (размеры сторон, соотношение). При выборе габаритов ориентируются на уменьшение типоразмеров для упрощения технологии производства. Многообразие требований, предъявляемых к ПП, приводит к тому, что при разработке конструкции ПП необходимо решать ряд взаимосвязанных задач: конструктивных (размещение ИМС на плате, разработка посадочных мест с учетом размеров, допусков, трассировка проводников), схемотехнических (расчет параметров линий связи, оценка паразитных связей и т.д.), технологических (выбор материалов, и метода изготовления, метода защиты и т.д.). Поэтому так важна разработка оптимальной конструкции ПП. 4 . 6 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ Прежде всего необходим анализ электрической схемы, выбирается принцип конструирования, который должен обеспечить рациональное размещение навесных элементов с минимальным переходом печатных проводников со слоя на слой, их размещение. Выполним расчет конструктивно-технологических параметров плат. Металлизированные отверстия (монтажные и переходные для создания связей между слоями). Если металлизированное отверстие используется для монтажа навесных элементов, то диаметр определяется как: 0,4 если d B  0,6 dM  dB   0,6 если d B  0,6 где dв - диаметр вывода навесного элемента. Контактные площадки - часть проводящего рисунка, расположены на поверхности слоев ПП, соединены с металлизированными отверстиями, используются для монтажа навесных элементов. Сечение контактной площадки отличается от прямоугольного и отличается размерами из-за особенностей технологического процесса изготовления ПП (например, подтравливание боковой фольги, меди и т.д.), то есть необходим расчет с учетом технологических факторов. Для аддитивного способа изготовления ПП минимально необходимый диаметр контактной площадки равен: D1min  2(bmin  0,5d max  d отв  d Кп ) , где bmin - минимально допустимая ширина поля контактной площадки, зависящая от класса плотности рисунка схемы (для 1-ого bmin =0,05мм, для 2-ого 0,035мм, для 3-его 0,025мм); dmax - максимальный размер отверстия; dотв - погрешность расположения отверстия на плате (смещение оси отверстия относительно оси координатной сетки); dкп - погрешность расположения контактной площадки на плате (смешение оси контактной площадки от оси координатной сетки). Для субтрактивного метода изготовления ПП диаметр контактной площадки определяется как: Dmin  D1min  hф , где hф - толщина фольги. Диаметр окна фотошаблона, гарантирующий получение диаметра контактной площадки не менее заданного, равен: Dk min  Dmin  DЭ , где Dэ =0,01-0,03мм - погрешность диаметра контактной площадки на плате при экспонировании рисунка. Проводники должны иметь допустимую ширину. Браком считается частичное отслаивание проводника от основания диэлектрика, поэтому минимальная эффективная ширина проводника t1min задается в зависимости от указанных свойств применяемого материала. Минимальная ширина проводника, изготовленного субтрактивным методом: t min  t1min  hф , аддитивным методом: t min  t1min . Максимальная ширина линии на фотошаблоне определяется: tш max  tш min  Dtш где Dtш =0,03-0,06мм, допуск на ширину линий при изготовлении фотошаблона. Максимальная ширина проводников на ОПП и внутренних слоях МПП равна: t max  tш max  DЭ . Расстояние между печатными элементами зависит от заданного сопротивления изоляции при рабочем напряжении или требований технических условий на ПП. В принципе расстояние зависит от шага элементов, их максимальных размеров, точности расположения. Минимальное расстояние между контактной площадкой и проводником равно: Smin =l-[(0,5Dmax +dш )+(0,5tmax + dt )], где l - расстояние между элементами, dt =0,03-0,06мм - погрешность расположения проводников на фотошаблоне относительно заданных координат; d ш - погрешность расположения контактных площадок. Минимальное расстояние между контактной площадкой и проводником на фотошаблоне: Sшmin =l-[(0,5Dшmax + dш )+(0,5tшmax + dt )]. Как правило, результаты расчетов сводят в таблицы, на основании которых наносятся на чертеж. 4 . 7 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ Для изготовления печатных плат используются различные материалы, в основном это фольгированные и нефольгированные медью пластики различной толщины и типа. Фольгированный диэлектрик это электроизоляционное основание, покрытое фольгой меди с гальваностойким слоем. Стандартная толщина фольги 5, 20, 35 и 50мкм; зарубежные материалы имеют толщину фольги 5; 17,5; 35; 50; 70 и 105мкм. Чистота меди не менее 99,5%. Диэлектрики могут быть фольгированы с одной стороны или с двух сторон и имеют толщину от 0,06 до 3,0мм. Поставляются листами с размерами 500х700мм. Электроизоляционное основание - гетинакс (спрессованные слои электроизоляционной бумаги, пропитанные фенольной смолой); стеклотекстолит (спрессованные слои стеклоткани, пропитанные смолой). Пример. Для ОПП, ДПП используется фольгированный гетинакс ГФ-1-35 ГФ-2-35 толщиной 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0мм или стеклотекстолит CФ-1(2)-35 СФ-1(2)-50 толщиной 0,8; 1,0; 2,0; 3,0мм. Нефольгированные диэлектрики предназначены для ПП, изготавливаемых аддитивным и полуаддитивным способом. Пример . Нефольгированный стеклотекстолит СТЭК толщиной 1,0; 1,5 с двусторонним адгезивным слоем для ДПП по аддитивному способу; Стеклотекстолит теплостойкий СТПА-5-1 для ПП по полуаддитивному способу с высокой плотностью проводящего слоя. У нефольгированного диэлектрика на поверхности специально создается адгезивный слой толщиной 50-100мкм для улучшения сцепления наносимой меди с диэлектриком, способствует формированию рисунка. Выбор материала определяется требованиями к платам: конструктивными, технологическими, эксплуатационными. Сначала выбирают конструктивные размеры ПП, затем ее толщину. Затем толщину материала с учетом обеспечения возможности металлизации отверстий заданного размера. Далее подбирают марку материала, отвечающую электрическим и физико-механическим свойствам. Современные схемы требуют улучшения теплоотвода от БИС, важно согласовать коэффициенты теплового расширения платы, корпусов микросхем. Современные методы монтажа привели к необходимости разработки новых материалов. В современных средствах ВТ используются керамические подложки, МПП на основе керамики. Проводящий рисунок формируют по толстопленочной технологии. Для таких плат используют оксиды алюминия и берилия, карбид кремния. Недостаток –ограничение размеров из-за хрупкости. Металлические жесткие основания, покрытые диэлектриком – ПП обладают повышенной теплопроводностью, прочностью. Это пластины из стали, меди, титана, покрытых легкоплавким стеклом. Перспективно применение оснований из термопластиков. 4 . 9 ПРОИЗВОДСТВО ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ И ЭКОЛОГИЯ Наиболее опасным с точки зрения воздействия на окружающую среду является производство ПП, основанное на использовании специальных материалов и различных химических сред. Основной материал для ПП стеклотекстолит. При его механообработке образуется стеклопыль, от которой необходимо уберечь человека. Для этого в помещениях, где происходит механическая обработка (сверление, фрезерование и т.д.), устанавливают отсосы. Отходы стеклотекстолита плохо поддаются термическому и химическому воздействию, поэтому их утилизация сложна. Существует технология переработки обрезков в стройматериалы. Поверхность фольгированных и нефольгированных диэлектриков подвергается механической и химической обработке. Механическая - выполняется суспензией, содержащей известь и абразивные порошки. После обработки образуется пульпа, которую регенерируют, промывочные воды подвергают фильтрации. Для химической очистки используются слабые растворы (10%) кислоты и щелочей. Они подвергаются дальнейшей нейтрализации в очистных сооружениях путем смешивания в определенных пропорциях. Рисунок печатного монтажа получают с помощью сухих пленочных фоторезистов. Наилучший раствор проявителя содержит ядовитые соединения (хлориды, фториды). Способ их нейтрализации сжигание с последующим улавливанием газов. Но это в крупносерийном производстве. В мелкосерийном производстве возникает проблема утилизации растворов проявителя и отходов фоторезиста. Для осаждения меди используются растворы, насыщенные медью. Основная задача обеспечить длительный срок службы, концентрацию при сливе, не превышающую санитарных норм. Срок использования растворов не превышает 3 месяцев, концентрация перед сливом 40-50 г/л (норма санитарная 5 г/л). Раствор нейтрализуют тиомочевиной. Травление меди осуществляется с помощью различных растворов: хлорида железа FeCl 3 , хлорида меди CuCl2 , хлорида натрия NaClO2 и др. Растворы насыщаются медью, их регенерируют и нейтрализуют. Проблема загрязнения сточных вод. Наиболее дорогая регенерация FeCl3 . Раствор CuCl2 полностью регенерируется по замкнутому циклу или нейтрализуется тиомочевиной. Раствор NaClO2 не регенерируется, но нейтрализуется. Все химические операции при изготовлении ПП чередуются с операциями промывки водой. Для очистки используют замкнутые системы с фильтрацией. После фильтрации с применением специальных пластмасс или активированного угля воду можно снова использовать. При изготовлении ПП используются электромагнитные методы воздействия, агрессивные химические и газовые среды, от воздействия которых должен быть надежно защищен обслуживающий персонал. Для защиты применяются экраны, автоматизируются процессы, исключая контакт человека с объектом. 5 КОНСТРУКТИВНЫЕ МОДУЛИ ВТОРОГО И ТРЕТЬЕГО УРОВНЕЙ 5.1 ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПАНЕЛЬ, БЛОК Типовые конструкции панель, блок предназначены для размещения модулей предыдущего уровня, представляют собой пространственную сборную или сварную конструкцию, на которой установлены ответные части разъѐма и узлы подвода питания и земли. Требования к панели, блоку:      должны быть удобными в сборке, наладке, эксплуатации; удовлетворять требованиям ремонтопригодности; обеспечивать защиту от внешних воздействий; обладать достаточной прочностью, жѐсткостью; иметь минимальную массу. Рекомендуется выполнять блок и панель прямоугольной формы, разъѐмный вариант; ячейки располагать вдоль направления воздушного потока системы охлаждения. Основные размеры панели определены ГОСТ 25122-88. Панель это законченный конструктивно-монтажный узел, несущая деталь основание, изготовленное из листовой стали с окнами для установки ответных частей разъѐмов. На лицевой стороне основания устанавливают ответные части разъѐмных соединителей и кронштейны с направляющими для ПП. ПП ориентируют вертикально, используется одно-, максимум двухрядная компоновка. По боковым сторонам панель закрывается стенками для уменьшения потери охлаждающего воздуха. На основание панели устанавливается коммутационная ПП, к которой подводятся потенциалы "питание" и "земля". Связи между ячейками осуществляются проводным монтажом. Очень часто панель может быть частью рамы или стойки, крепится прямо к каркасу стойки. Блок предназначен для электрического и механического объединения ячеек, это конструктивно законченный узел ЭВМ. Чаще всего это функционально законченное устройство, включающее в себя одно устройство. В состав конструкции блока входят каркас, разъѐмы, направляющие, устройство крепления в стойке ЭВМ. Ответные части разъѐмов располагаются с постоянным шагом на одной из боковых стенок каркаса. Блоки обычно выдвижные, фиксируются невыпадающими винтами Передняя панель имеет элементы индикации, контроля и управления. Блок устанавливают так, чтобы микросхемы равномерно охлаждались движущимися потоками воздуха. Пример: Если блок высотой 3V (132,5 мм) с ПП 100x160; вторая часть ячейка 6U (265,9 мм) с ПП 233,4x160 мм. Тогда габариты блока 482,6x265,9x255 мм. Конструктивное исполнение блоков может быть разнообразным, но у всех блоков можно отметить наличие панели (шасси), каркаса, направляющих и элементов фиксации в модуле высшего уровня. На монтажной панели выделяются центральная и периферийная зоны. В центральной зоне размещаются ответные части соединителей ячеек , направляющие, в периферийной - соединители внешней коммутации, жгуты, элементы фиксации блока, узлы подвода напряжения питания. При конструировании блоков используется печатный монтаж, монтаж одиночным проводником, свитой парой, жгутовой монтаж. Направляющие вводятся в конструкцию блока для быстрого сочленения ячеек с ответной частью соединителей без заклинивания, зажима или перекоса, поддержки платы при ударах и вибрациях, создания пути для конструктивного отвода теплоты от теплонагруженных компонентов ячеек. Для входа и перемещения платы в направляющих по краям платы предусматривается зона 2-3мм, свободная от печатного монтажа. Длина направляющих зависит от длины платы и бывает от 7 до 200мм. Направляющие могут быть коллективными, предназначенными одновременно для установки нескольких ячеек, и индивидуальными. Направляющие фиксируются на специальных кронштейнах или непосредственно закрепляются на монтажной плате или шасси блока. Для доступа охлаждающего воздуха к компонентам ячейки установка направляющих должна производиться с зазором. В качестве конструкционных материалов направляющих используются пластмасса и металл. Элементы крепления и фиксации ячеек в блоках должны исключать возможность выпадения их при эксплуатации. Они представляют собой соединители с фиксирующими штырями - ловителями, невыпадающие винты и специальные защелки. Надежное сочленение ячеек в блоке с ответной частью соединителя обеспечивается расчетом на сочленение соответствующих размерных цепей блока. При этом определяется по известному допуску замыкающего звена допуски составляющих размеров размерной цепи (прямая задача) либо номинальный размер и допуск замыкающего звена по заданным размерам и допускам составляющих звеньев (обратная задача). При конструировании блоков ЭВС широко применяется стеллажный, книжный и откидной варианты конструкций прямоугольной формы в негерметичном или герметичном исполнении. Блоки стеллажного типа компонуются из ячеек, которые устанавливаются в один или несколько рядов перпендикулярно монтажной плате. В зависимости от ориентации монтажной платы относительно лицевой панели существуют три разновидности конструкции блоков: блок с вертикальным поперечным расположением, с вертикальным продольным расположением и горизонтальным расположением монтажной платы. В блоках книжной конструкции механическое объединение печатных плат между собой и с несущей конструкцией обеспечивается шарнирными узлами, позволяющими поворачивать относительно оси раскрытия ячейки подобно страницам книги. В рабочем состоянии печатные платы ячеек объединяются в пакет стяжными винтами или резьбовыми шпильками. Возможна вертикальная и горизонтальная ориентация плат в блоке. 5.2 ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ВЫСШИХ ИЕРАРХИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ К ним относятся разнообразные конструкции стоек, тумб, шкафов, пультов, столов. Эти модули высших структурных уровней, определяющие внешнее оформление ЭВМ и обеспечивающие комплексную защиту от внешних факторов и служат для объединения блоков и панелей. Наличие или отсутствие модулей некоторых уровней определяетсяч Рамы и стойки служат для размещения, механического крепления и электрического соединения конструктивных модулей предыдущих уровней. В рамах и стойках обычно устанавливают блоки питания, элементы обеспечения теплового режима, например, вентиляторы. Рамы - элементы промежуточного крепления. Рамы служат для размещения и электрического соединения панелей или блоков. В зависимости от компоновочной схемы стойки рамы могут быть подвижными и неподвижными. Несущая деталь рамы сварной каркас, который имеет перемычки и направляющие для установки панелей или блоков. Для подключения внешних связей имеются разъѐмы. Внутрирамный монтаж выполняется жгутами. Стойка - несущая конструкция с поворотными рамами, предназначенная для установки, объединения электрическими и другими связями, подсоединения к внешним цепям и механической защиты изделий, конструктивно реализованных в каркасах. Стойка конструкция, которая служит для крепления нескольких вертикальных и горизонтальных рам, расставленных по заданному шагу и прикреплѐнных к полу, потолку или стене. Основа стойки несущий каркас, состоящий из сварных рам. Стойка закрывается обшивкой, с двух сторон навешиваются двухстворчатые двери. РАЗМЕРЫ СТОЙКИ условный размер 13 U 18 U . . . 45 U Н мм 800 1000 R мм 550,700 600,800,1000 800 L мм 300,400, 450*,600 2200 Основные правила конструирования стоек: 1. Общая масса аппаратуры, размещаемая в стойке, не должна превышать 500 кг; 2. Дверцы не должны открываться на угол, больший 90°; 3. Мощность потребления аппаратуры в стойке не должна превышать 3 кВт при принудительном охлаждении и 200 Вт при естественном охлаждении; 4. Блоки питания массой не более 20 кг должны располагаться в верхних горизонтальных рядах или крайних вертикальных рядах; 5. Приборы и блоки массой более 20 кг рекомендуется располагать в нижней части стойки; 6. Размер стойки в глубину не должен превышать 1м; 7. Ячейки, панели, блоки следует располагать так, чтобы они равномерно обдувались движущимися потоками воздуха. Существуют различные принципы компоновки стоек. Блоки устанавливаются либо непосредственно в каркасе стойки, либо в промежуточный модуль-раму, а рама уже устанавливается в каркас. В практике конструирования в одной и той же стойке устанавливают неразъемные блоки, осуществляющие обработку информации и разъемные вставные блоки коммутационные, электропитания и др. В стойке рамной конструкции размещается несколько рам. В двухрамной стойке для доступа к блокам одна из рам выполняется подвижной поворотной. В трехрамной стойке - две крайние стойки выполняются поворотными, а центральная рама - неподвижная, фиксируемая на каркасе. Рама служит для установки и коммутации неразъемных и разъемных вставных блоков. Основной формой рамы является параллелепипед с большой высотой и малой глубиной. Внешняя коммутация рам осуществляется через соединители, установленные на раме со стороны ее подвески. Шкаф в отличие от конструкции стойки имеет дверцы. Дверцы на передней и задней сторонах шкафа предназначены для обеспечения доступа к блокам, субблокам при настройке, ремонте и эксплуатации. Боковые стенки, как и дверцы, являются дополнительным экраном от внешних наводок, в связи с чем их следует делать металлическими. Допускается в блочном и субблочном варианте конструкции передние дверцы выполнять прозрачными. В конструкции шкафа обязательно должны быть предусмотрены механический замок для удержания дверей в закрытом состоянии и электроблокировка. 5.3 АДРЕСАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЕДИНИЦ Существует 3 метода адресации: координатный, позиционный, координатнопозиционный. Координатный метод используется тогда, когда все конструктивные единицы располагаются на плоскости в координатной сетке. Пример: адресация на ПП. Позиционный метод заключается в присвоении адреса типовой конструкции последовательно слева направо и сверху вниз (рисунок 14). 03 02 01 06 05 04 07 10 09 08 12 11 Рисунок 14 - Позиционный метод адресации Координатно-позиционный метод заключается в разбиении монтажного поля на зоны по координатному методу и присвоении адресов элементам внутри зоны позиционным методом (рисунок 15). 105 104 103 102 101 204 203 202 201 304 303 302 301 Рисунок 15 - Кординатно-позиционный метод адресации 5. 4 ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ Персональные ЭВМ, микро-ЭВМ проектируются с использованием больших интегральных схем (БИС). БИС - это микропроцессоры, ЗУ, резисторные и конденсаторные сборки и т.д., имеющие 10000 и более элементов. Использование БИС влечѐт следующие особенности проектирования: 1. Возможность реализации аппаратной части ЭВМ на одной объединительной плате. 2. Необходимость использования элементов различных размеров (корпуса БИС микропроцессоров, схем обрамления различны). 3. Необходимость введения конструктивных элементов, обеспечивающих расширение возможностей аппаратуры. 4. Область назначения ПК часто требует исполнения ПК во встраиваемом ваpианте, и тогда конструкция должна отвечать требованиям управляемой ею аппаратуры. Известны одноплатные процессоры. Например, ПП 115х75 мм; 96 контактный разъем; 3 БИС, реализованы в керамических корпусах с 132 выводами. Конструктив персональной ЭВМ: шасси, монтажная плата, блок питания, каркас для гибких магнитных дисков. Конструкция следующая: 0 уровень- микросхемы и ЭРЭ; 1 уровень- плата; 2 уровень- корпус частичный или корпус комплектный. Типоразмеры ПП следующие: 4U = 144,5 x 160 (220) мм; 8U = 322,5 x 160 (220) мм. ПП часто поставляется отдельно. Пример ПП (рисунок 16): разъѐмы для субблоков панельки для МС место для установки разъѐма Рисунок 16 - Печатная плата Типоразмеры частичных корпусов формируются из стандартных рядов, соответствующих рядам I уровня: 4U, 8U, 9U. В современных ПК используются 2 типа конструкций частичных корпусов. 1 тип- содержит 1 или 2 ПП и компонуется в комплектный кожухи корпус. 2 тип- используется в основном для компоновки блоков питания ЭВМ, размещается в комплектных корпусах стандартного типа, совместно с частичным корпусом 1 типа. Размеры корпусов определяют размеры передней панели корпуса. В последнее время получили распространение конструкции частичных корпусов без передней панели, т.е. кассеты. Кассеты компонуются внутри комплектных корпусов вертикально или горизонтально. Частичные корпуса в комплектные монтируются по направляющим, по стандартной схеме компоновки. Но частичные корпуса могут компоноваться отдельно, в самостоятельные варианты. Соединение кассеты с комплектным блоком осуществляется с помощью соединителей, устанавливаемых на кроссплате. Нужно отметить, что при любой компоновке необходимо соблюдать стандартные решения, обеспечивающие установку в комплектный блок, корпус шкафа, стойки, кожуха, установки на столе. 5.5 РАЗМЕЩЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Итак, иерархический принцип построения ЭВМ позволяет каждый модуль спроектировать оптимально, изготовить самостоятельно. При разбиении схемы на уровни учитывают: оптимальные размеры модулей различного уровня, иерархию этих уровней, число внешних выводов модулей и назначение модулей нижнего уровня в модуле высшего уровня. Что это даѐт? Это даѐт оптимизацию количества типов модулей с учѐтом ограничений по стоимости, надѐжности, простоте обслуживания, минимизацию числа выводов у модулей, система модулей обеспечивает минимальное время диагностики и локализации неисправностей, учѐт требования минимизации числа соединений между модулями и т.д. После выбора оптимального типоразмера модулей приступают к компоновке модулей другого уровня модулями предыдущего уровня и их размещению. Задача размещения заключается в отыскании для каждого модуля проектируемого устройства оптимальной позиции на монтажной плоскости. Цель создание наилучших условий для трассировки электрических связей. Исходными данными для решения задачи размещения являются размеры установочной плоскости, схема установочных мест с указанием расстояния между установочными местами, расстояние между модулями, и функциональная схема модуля высшего уровня для подсчета количества связей между модулями и элементами внешней коммутации. Критерий: минимум суммарной длины всех соединений; минимум длины самой длинной связи; минимум числа пересечений связей и т.д. При размещении может возникнуть несколько ситуаций: 1. Размещение однотипных модулей j уровня на монтажной плоскости (j+1)-ого уровня с заранее заданными однотипными установочными размерами. Пример: размещение микросхем на печатной плате. Однотипность размеров подразумевает то, что микросхема может быть помещена в любое гнездо на плате. 2. Размещение модулей разного типа j-ого уровня на монтажной плоскости (j+1) уровня с заранее определенными установочными размерами. Пример: установка микросхем, резисторов, конденсаторов на печатной плате. 3. Размещение модулей разного типа на монтажной плоскости, когда размеры не установлены и определяются в процессе размещения. Пример: размещение элементов на подложке интегpальной микpоcхемы. Размещение конструктивных элементов выполняется вручную или автоматизированным способом. При автоматизации размещения используются различные алгоритмы, например алгоритм перестановки, алгоритм последовательного размещения, итерационные алгоритмы и т. д. Наиболее распространѐн алгоритм последовательного размещения, при котором задача размещения решается следующим образом. Все модули упорядочиваются по какому-либо признаку. В установленной упорядоченности для каждого отыскивают начальную позицию ( критерий, например, суммарная длина связей с уже размещѐнными). Процесс повторяется до тех пор, пока не будет получено размещение всех модулей. Алгоритм следующий: 1. Определение для каждого неразмещѐнного модуля множества незанятых позиций, в которые модуль может быть установлен с учѐтом числа свободных магистралей. 2. Размещение всех неразмещѐнных элементов с учѐтом n.1. 3. Нахождение варианта размещения, для которых самая длинная связь минимальна. 4.Установка модуля в найденную позицию, трассировка его цепей с уже размещѐнными модулями. 5. Определение изменения ресурса свободных магистралей у каждой незанятой позиции. Переход к п.1. 6 ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ 6.1 ВИДЫ СОЕДИНЕНИЙ. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОНТАЖА В конструкции ЭВМ большое место занимают электрические соединения и электромонтаж: монтаж микросхем на ПП 1-ого уровня; объединение модулей 1-ого уровня в конструкции 2-ого уровня и т.д. Цель электрических соединений (электромонтажа) – обеспечить электрические сигнальные связи между входными и выходными цепями конструктивных модулей разлтчного уровня. Везде необходимо использовать различные методы выполнения соединений и монтажа для того, чтобы обеспечить электрическую и механическую неразрывность схем и ЭВМ. Число электрических соединений огромно, достигает десятков и сотен тысяч. Поэтому так важен правильный выбор типа соединения при разработке ЭВМ. Требования к электрическим соединениям:  высокая надѐжность;  требуемые значения электрических параметров, их постоянство;  минимальные габаритные размеры и масса;  обеспечение нормальной работы электронных схем в условиях механических и климатических факторов;  помехоустойчивость конструктивной реализации схемы;  удобство и безопасность работы при эксплуатации и ремонте. Исходным документом является электромонтажная схема. Электрические соединения должны соответствовать техническим условиям, схеме и монтажной таблице. Электрические соединения разделяют на несколько видов:  разъемные.  неразъемные. Неразъемные соединения делятся на постоянные и полупостоянные соединения. Постоянные соединения это соединения, демонтаж которых приводит к разрушению одного или нескольких присоединенных выводов. Пример сварка. Полупостоянные соединения это соединения, демонтаж которых требует применения специальных инструментов, не приводит к разрушению выводов. Пример пайка, накрутка. Разъемные соединения это соединения с применением различных разъемов. Пример штепсельные контакты. По виду используемых проводников монтаж делят на печатный и объѐмный. Печатный монтаж используется для электрического объединения микросхем в пределах плат первого уровня (ячеек, модулей). Микросхемы и другие ЭРЭ, вернее, выводы присоединяются к металлизированным отверстиям различными методами: сваркой, пайкой. Метод присоединения пайкой зависит от корпуса микросхемы и формы выводов. Монтаж сваркой тоже разный. Это двусторонняя точечная сварка, ультразвуковая, лазерным лучом и т.д. Но объединение ячеек в пределах блока или панели, использование дорогостоящих и неремонтопригодных многослойных печатных плат экономически невыгодно. Поэтому разработаны методы объемного монтажа:  мягкий однопроводный и жгутовой;  жесткий;  накруткой;  с помощью пружинных захватов;  запрессовкой проводников;  приваркой проводников. Последние четыре метода объемного монтажа разработаны специально для микроэлектронных устройств. Они позволяют получать надежные соединения с высокой плотностью расположения контактов. Мягкий монтаж одиночными проводниками используется для соединения внутри блока или панели. Один конец проводника монтируют на одном контакте, другой напрямую с небольшим натягом на другой контакт. Жгутовой монтаж это применение жгутов параллельно идущих проводов, связанных или уложенных в определѐнном порядке. Жѐсткий монтаж используется редко для внутристоечных соединений, для подвода питающих напряжений. Для этого на монтажных платах устанавливают перфорированные платы во взаимно перпендикулярных направлениях, в которых крепят жѐсткие проводники. Монтаж накруткой выполняется одножильным проводом на металлический штырь с острыми кромками. Накpутку оголѐнным проводом ведут с натягом, поэтому образуется в местах соприкосновения электрический контакт, стабильный во времени. Монтаж пружинными захватами это метод механического контактирования. Захват прижимает жѐсткий или многожильный провод к контактному штырю со специальным покрытием с силой. Образуется соединение. Захват может быть разжат, снят, передвинут вдоль штыря и снова зажат. Монтаж запрессовкой проводников изолированный провод укладывают на плату, покрытую клейкой теpмоpеактивной пластмассой. Затем нагревают, подвергают давлению. Проводники оказываются запрессованными в тело платы. Соединение между проводниками получают сверлением в нужном месте и металлизацией отверстия. Монтаж приваркой проводников к запрессованным в плату штырям. Проводник приваривается к металлическим штырям, к которым с другой стороны приварены выводы микpосхем. 6.2 РАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Разъемные соединения применяются широко в конструкциях ЭВМ. Контактные pазъемные соединения применяются для быстрой смены кассет, блоков при наладке и эксплуатации. Электрическое соединение осуществляется за счѐт холодного контактирования пары штырь - гнездо. Главное требование к разъѐму обеспечение надѐжного соединения при воздействии допустимых климатических и механических факторов. Разъѐм состоит из вилки и розетки. Вилка - совокупность штырей контактных пар, имеющая законченное конструктивное исполнение. Розетка - совокупность гнѐзд, имеющая законченное конструктивное исполнение. Разъѐм должен иметь небольшие габариты, массу, ключ и элементы крепления. В состав вилки часто входят ловители и элементы крепления разъѐма, которые обеспечивают совмещение штырей и гнѐзд при сочленении разъѐма. Ключ предназначен для исключения возможности неправильного сочленения вилки с розеткой. В качестве ключа используются различные пазы и выступы в корпусе разъѐма, несимметричное расположение штырей и пр. В ЭВМ применяются соединители для микросхем, разъѐмы для ячеечных, межблочных и межкассетных соединений, кабельные и жгутовые разъѐмы. Соединитель - основа для установки микросхем, других корпусов (резисторная сборка и т.д.) на ПП с целью облегчения замены, получения высокой плотности компоновки в сочетании с монтажом накруткой. Наборные соединители для ИС применяются для изделий с повышенной плотностью компоновки. Это одно- двухрядное расположение контактных пар гнездо-штеккер. Наибольшее число пар в ряду 25, шаг-2,5мм. Такие соединители рассчитаны на напряжение до 25 В,ток до ,15 А, контактное сопротивление не более ,02 Ом. Покрытие контактов золотое. Типов разъѐмов для микросхем много. Есть разъѐмы, в которых микросхемы монтируются без предварительной формовки выводов. Соединение такого разъема с ПП может быть различным. Это может быть непосредственное соединение розетки с проводниками ПП; соединение с контактами, отдельно смонтированными на ПП и т.д. Параметры таких разъемов-соединителей приведены в многочисленной литературе. В ЭВМ широко используются различные разъемы. Разъем на ПП устанавливается различным способом. 1 способ - непосредственное соединение проводников ПП с розеткой (непосредственное контактирование). Контакты ПП располагаются с двух сторон. Разъемы рассчитываются на определенную высоту, толщину платы и постоянное положение ключа (рисунок 17). Плата/801 Количество выводов 96 (4хn), где n = 1 26 шаг 2,54 мм, H=148,5 мм, В=124,4 мм. H B Рисунок 17 - Непосредственное контактирование 2 способ - косвенное контактирование, когда одна часть разъѐма монтируется на плате. Косвенное контактирование выполняется с помощью различных разъѐмов, например ГРПМ. ГРПМ - это самое надѐжное соединение, наличие контактной гиперболоидной поверхности, образующейся между гладким цилиндрическим штырѐм и несколькими упругими бронзовыми проволочками, расположенными под углом 8° к образующей по внутренней поверхности гнезда (рисунок 18). 80 Рисунок 18 - Разъем ГРПМ Обозначение разъема: ГРПМ 9 - 30 ГУ, где ГРПМ - разъем прямоугольный малогабаритный с гиперболоидными контактами; 9 номер разъѐма; 30 число контактов, Г розетка; У - угловые выводы штырей запаиваются в металлизированные отверстия платы (рисунок 19). Вилка обозначается буквой Ш. Рисунок 19 - Розетка разъема ГРПМ Если ГРПМ 10 - 45 ШН, выводы припаиваются к контактным площадкам (рисунок 20). Рисунок 20 - Вилка разъема ГРПМ Итак, вилки разъѐмов устанавливают на платы, панели, блоки и т.д; розетки устанавливают на рамки панелей, блоков и т.д. Электрическое соединение выполняют объѐмным монтажом. Для межблочных соединений широко применяется разъѐм малогабаритный МР1. Число контактов 10, 19, 30, 50... При выборе разъѐма прежде всего учитывают технические параметры, эксплуатационные характеристики, число контактных пар. Обычно необходимо предусмотреть резерв контактных пар (10% от необходимых, но не менее 2). Для электрического соединения ячеек, блоков, стоек в конструкциях используются кабельные соединения. Кабели подразделяют на:  высокочастотные коаксиальные;  плоские прессованные и плетѐные;  плоские гибкие печатные. Высокочастотные коаксиальные кабели типа РК предназначены для работы в цепях с частотой более 1 МГц. Марка состоит из 2 букв и трѐх чисел,где 1 волновое сопротивление, 2 номинальный диаметр в мм, 3 вид изоляции и порядковый номер разработки: РК-50-2-13 РК 50 волновое сопротивление 50 ом 2 диаметр 2 мм 13 1 полиэтилен 3 Nо разработки Для обозначения типа изоляции используются 1 полиэтилен; 2 фторопласт; 3 полистирол. Прессованный гибкий кабель совокупность одинаковых паралельных проводников, запресованных в гибкий диэлектрик. Перед монтажом концы проводников кабеля зачищают. Часто используется гибкий кабель типа ПВПмс, в котором электрическая связь образуется тремя проводниками: 1 сигнальный и два заземлѐнных, проводники запрессованы в полиэтиленовую оболочку толщиной ,1мм. Плетѐные кабели совокупность проводов, переплетѐнных изолирующей нитью. В кабель могут быть вплетены провода различного сечения и типов витые пары , экранированные и одножильные провода. Используются провода марок ГФ, МГТФ и связующие нити лавсановые или капроновые. Прессованные или плетеные кабели устанавливаются с одной стороны платы, зачищенные проводники впаиваются в металлизированные отверстия или навиты на металлические штыри. Они применяются в пределах блока , панели, стойки. Превосходят по технологичности , удобству монтажа , наладки и ремонту мягкий, жгутовый монтаж. Печатные кабели (шлейфы) выполнены из тонкого гибкого фольгированного диэлектрика. Они сгибаются в рулон, сворачиваются. Изготавливаются методами печатного монтажа , используются для передачи высокочастотных импульсных сигналов. При использовании печатного кабеля необходимо уделять внимание оформлению концов и закреплению на плате. После закрепления поджимается пластинкой или специальной колодкой. 6 . 3 МОНТАЖ ЯЧЕЕК Основной конструктивной единицей ЭВМ является ячейка, предназначенная для механического и электрического объединения элементов первого уровня. Она состоит из печатной платы, на одной или двух сторонах которой могут быть размещены ЭРЭ, ИС, микросборки. В зависимости от плотности компоновки навесных элементов и сложности их коммутации применяются ОПП, ДПП, МПП. Рассмотрим конструктивно-технологические особенности ячейки. Для монтажа элементов предусмотрены монтажные металлизированные отверстия круглой или прямоугольной формы, центры которых располагаются в узлах координатной сетки. Это требование предъявляется и к штыревым выводам. Если много выводов, то хотя бы один вывод должен располагаться в узле координатной сетки. Диаметр металлизированного отверстия выбирается в зависимости от диаметра выводов навесных элементов. Монтажное отверстие для плоского вывода выбирается по диаметру окружности, описанной вокруг сечения вывода. Для обеспечения высокого качества пайки, надежности соединения различие между диаметрами вывода и отверстия должно состав лять: диаметр вывода 0,4;0,6;0,8 ¦ 1,0;1,2;1,5;1,7 разница диаметров 0 ,4 ¦ 0 ,6 Не рекомендуется на одной плате иметь более 3 различающихся по диаметру отверстий. Если сборка плат автоматизирована, то требования еще более ужесточаются: - расстояние между выводами и отверстиями ,2мм; - предельное отклонение расстояний между центрами монтажных отверстий не должны быть больше, чем 0,1 мм; - базовые отверстия для ориентации платы d=3,0 + ,05мм располагаются на одной из длинных сторон платы. Отклонения между центрами базовых отверстий не более +0,1 мм. Допускается в качестве базовых отверстий использовать крепежные отверстия, если их точность и допуск на расположение соответствуют базовым отверстиям. На платах ячеек устанавливают ИС различных серий, дискретные ЭРЭ, корпус а разъемов, крепежные и другие элементы. Ячейки, предназначенные для логических схем, содержат ИС от 10 до 150 шт. и небольшое количество ЭРЭ. Специальные ячейки, предназначенные для формирования, усиления сигналов, содержат преимущественно дискретные ЭРЭ, а также гибридные и полупроводниковые ИС. Для повышения технологичности сборки рекомендуется использовать минимальное число разнотипных ЭРЭ, типоразмеров ИС; использовать элементы, не требующие дополнительного крепления на плате. Рассмотрим размещение элементов на ПП. Корпусные ИС размещают на ПП рядами или в шахматном порядке с шагом установки, кратным 2,5мм, и определяемым конструкцией корпусов, плотностью компоновки, температурными условиями и т.д. Для ИС в корпусах с планарными выводами шаг установки может быть принят 1,25мм. Зазор между корпусами должны быть не менее 1,5мм. ИС со штыревыми выводами устанавливают с одной стороны, с планарными выводами с двух сторон. Известны различные варианты установки ИС (рисунок 21). Эскиз корпуса Установка прокладка A B 1,6 C 2,5 1,0 1-3 0,5-1,5 Рисунок 21 - Установка ИС Установка ИС без зазора применяется, если под корпусом ИС нет проводников. Корпус держится на выводах или клеится. Установка ИС с зазором или на изоляционную прокладку используется, если есть проводники. Для улучшения теплоотвода используются металлические прокладки, предварительно изолированные от платы. Корпусы типов 1,2 (нарисованы, отличаются количеством выводов: 9 и 7) со штыревыми выводами не требуют предварительной формовки и поддаются легко автоматизации. ИС с планарными выводами увеличивают плотность размещения, но автоматизация затруднена. Варианты установки ЭРЭ также различны. ЭРЭ располагают рядами с ориентацией по одной или двум координатам. Желательно элементы одного типа располагать в одном направлении. Неупорядоченная установка ЭРЭ, наличие элементов с разными межвыводными расстояниями усложняется. Расстояние между корпусами ЭРЭ не менее 1мм, по торцу не менее 1,5мм. Если автоматизированная установка, то нужна дополнительная площадь свободные зоны для размещения исполнительной головки. Варианты установки определяются конструкцией корпусов, характером расположения выводов, их размерами. ЭРЭ устанавливают без зазора между корпусом и платой; с зазором; с расположением выводов в монтажных отверстиях, расстояние между которыми меньше установочного размера. В первом случае не должно быть печатных проводников, во втором прокладка толщиной 1-1,5мм, которую после подгибки и пайки выводов удаляют. Полупроводниковые приборы (например, транзисторы) в круглых металлостеклянных корпусах устанавливают на плату, на прокладку, в специальный держатель. Транзистор фиксируют путем приклеивания к плате (прокладке); выводы формуют так, чтобы расстояния между ними по координатной сетке были равны (или кратны) шагу . Различают два способа разводки печатного монтажа: прямая разводка и координатный способ разводки. При первом способе разводки трассы прокладываются по наикратчайшему пути, связывающему коммутируемые точки. При этом в первую очередь прокладываются проводники, критичные к длине. Затем все остальные. Разводка проводников выполняется до тех пор, пока не будут проведены все. Может быть и так, что некоторые проводники невозможно выполнить без пересечения с другими проводниками . Пять таких связей можно выполнить проводными (объемными). Если таких проводников более 5, то делается ДПП, на второй стороне располагают проводники, которые невозможно выполнить без пересечения. Если же рисунок не может быть выполнен с использованием ДПП, то тогда вводится третий, четвертый и т.д. слой. Во втором случае используются ортогональные направления проводников на разных сторонах платы. Для исключения пересечения проводника с другими проводниками в конструкцию вводятся переходные отверстия. Переходное отверстие переводит проводник на другую сторону платы, по которой трасса продолжается. Если возникла преграда, опять переходное отверстие и проводник переводится на первую сторону. Такой способ позволяет реализовать на ДПП довольно сложную схему. Недостаток удлинение проводников. При использовании любого способа разводки трассировка выполняется в определенном порядке как ближайшее приближение к прямой линии. Трассировка может быть выполнена двояко. В первом случае разводятся проводники первой логической схемы, второй, третьей и т.д. При этом не принимаются во внимание расположение корпусов; в первую очередь разводятся входные-выходные цепи, затем разводятся связи между логическими элементами. Во втором случае за основу берется компоновочная схема и принципиальная схема. Сначала входные-выходные цепи, а потом микросхемы ряд за рядом. Разводка микросхем начинается с ряда, который примыкает к контактным соединениям. В ряду микросхемы разводятся в строго определенной последовательности друг за другом. После последней переходят к следующему ряду, т.е. ряд за рядом трассы заполняют печатную плату. Трассировка для разных корпусов одинакова. Подход трассы к контактной площадке осуществляется под углом 900 или 450 . Трассировка может быть различна. Примеры: При трассировке нужно учесть следующее. 1. Корпуса микросхем располагаются таким образом, чтобы объединение одноименных выводов выполнялось поперечными или продольными трассами. 2. Первыми разводятся трассы, объединяющие наибольшее число корпусов, последними объединяющие две микросхемы. 3. По ходу выполнения трассировки плата заполняется и сложность выполнения связей растет. Поэтому подход к контактной площадке может быть получен многократным изменением направления трассы. Трасса-лесенка, но длина лесенки не должна превышать допустимую длину проводника. Трассировка цепей питания и земли выполняется различными способами. Выводы питания и земли у всех корпусов расположены одинаково, поэтому размещение цепей тоже будет одинаково. Способы подвода трасс к выводам питания и земли микросхем должны обеспечивать максимум удобств для последующей разводки и зависят от формы выводов, расстояний между ними и т.д. Различные варианты разводки цепей питания и земли (рисунок 21). 1 вариант: первая ламель питание, последняя земля. От ламелей трассы проходят вдоль краев платы, микросхемы запитываются от трассы, проходящей вдоль ряда. Рисунок 21 - Вариант разводки цепей питания и земли 2 вариант: разводка параллельно идущими трассами, но подвод с использованием переходных отверстий (рисунок 22). Рисунок 22 - Варианты разводки цепей питания Трассы питания могут быть различными, но длина проводника должна быть минимальной. Варианты подвода трасс приведены на рисунке 23 . Рисунок 23 - Варианты развода трасс питания 6 . 4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЯЧЕЕК Технологический процесс разбивается на несколько этапов: - подготовка навесных элементов; - установка навесных элементов; - получение контактных соединений с печатным монтажом; - контроль монтажа и функциональных параметров. Подготовка навесных элементов включает в себя распаковку элементов, входной контроль, формовку, обрезку и лужение выводов, размещение элементов в технологической таре. Входной контроль ИС и ЭРЭ осуществляется выборочно, для спецаппаратуры полностью. Формовка это гибка выводов. Если процесс механизирован, то применяется инструмент (пуассоны, матрицы), рабочая часть которого соответствует форме выводов. Лужение может быть до и после формовки методом погружения в расплавленный припой. Установка навесных элементов на ПП заключается в подаче в зону установки, ориентации выводов относительно монтажных отверстий и фиксации ИС и ЭРЭ в требуемом положении. Установка может выполняться вручную, механизированным или автоматизированным способом. Вручную навесные элементы устанавливают в следующем порядке: резисторы, диоды, конденсаторы, ИС, транзисторы. После установки выводы подгибаются с другой стороны, фиксируя элементы. Если в схеме необходимо заменить элемент, то в соответствующие монтажные отверстия вставляются штыри, фиксируемые припоем, для сохранения печатного монтажа при последующей замене элементов. ИС фиксируют подгибкой выводов, ИС с планарными выводами - приклеиванием к плате флюсом, липкой лентой. При ручной установке необходимо предусмотреть отвод статического электричества от монтажника с помощью заземленного браслета. Для избежания ошибок установки на ПП наносят номер и направление установки элемента. Выводы формуются так, чтобы можно было прочитать значение номинала элемента. Механизированная установка ЭРЭ и ИС выполняются с помощью стола с двухкоординатным перемещением, устройства установки, механизма фиксации элементов, устройства позиционирования стола. В состав последнего входят: шаблон с отверстиями, расположение которых соответствует порядку установки элементов, пантограф для перемещения и позиционирования монтажного стола. В магазине элементов располагаются кассеты этажерочного типа или лента с вклеенными элементами. Принцип работы: ПП устанавливается на базовых штырях вручную. В соответствии с программой установки на ПП накладывается маска, открывающая доступ только к определенным элементам. С помощью укладочной головки элементы устанавливаются. Автоматизированная установка ИС и ЭРЭ выполняется на автоматах с ЧПУ. Отличие автоматическое позиционирование координатного стола. 6.5 ТЕХНОЛОГИЯ МОНТАЖА ПАЙКОЙ Наиболее распространен метод получения контактных соединений пайкой - процесс, при котором очищенные от оксидов и органических загрязнений поверхности покрываются флюсом, нагреваются при одновременной подаче припоя и охлаждаются. Образуется соединение, которое должно обеспечивать заданную механическую прочность, высокую электропроводность, антикоррозийную стойкость при климатических условиях. Качество паяного соединения зависит от тщательной подготовки соединяемых поверхностей. Способы очистки поверхностей: механические и химические. Механические способы предусматривают механическое удаление поверхностного слоя металла с помощью острого инструмента (типа кожа, скребка), либо с помощью высокопроизводительной гидроабразивной обработки поверхностей. Наиболее эффективна и производительна сухая или мокрая очистка с помощью вращающихся или осциллирующих щеток из синтетических материалов с введенными в его состав абразивными частицами. Химическая очистка предусматривает удаление поверхностного слоя металла травлением и отмывку поверхности от загрязнения. Травление выполняется растворами кислот. Состав раствора зависит от вида металла, концентрация зависит от необходимой скорости травления при заданной температуре раствора. Отмывка производится растворителями типа спиртов, спиртобензиновых смесей путем окунания, струйной промывки и т.д. Предварительное облуживание поверхностей используется при групповой пайке в серийном производстве. Облуживаются выводы навесных элементов, провода, кабели, жгуты. Облуживание должно быть выполнено по заданной поверхности. Поверхность припоя должна быть сплошной, без трещин, посторонних включений и т.д. Толщина припоя не должна быть более ,1-0,3 мм. Контроль подготовленных поверхностей на паяемость. Известно большое количество методов контроля. Простейший контроль образец опускают во флюс, в расплавленный припой на заданное время. Далее оценивается площадь облуживания. Должно облудиться не менее 95% поверхности. Флюсы для пайки. Флюс служит для устранения пленки оксидов с поверхности металла и припоя при пайке, защите от окисления . Различают: 1. Флюсы для пайки низкотемпературными припоями при температуре плавления меньше 450О С; 2. Флюсы для пайки высокотемпературными припоями при температуре плавления выше 450О С. Применение типа флюса зависит от вида или типа паяемого металла, используемого припоя, температуры пайки, назначения паяемого изделия (таблица 2). Таблица 2 - Марки флюсов марки флюсов канифоль марок А,В паяемый металл припой ЛТИ-120 сталь, никель, оло- оловянново, медь, цинк, се- свинцовые, ребро рянные ФДГл олово, медь, сереб- оловянноро свинцовые медь, серебро, оло- оловянново, цинк свинцовые, рянные область применения пайка и лужение сереб- проводников в изделиях спецназначения пайка и лужение сереб- проводников в изделиях широкого назначения пайка и лужение в изделиях широкого назначения Припои для пайки. Припой служит для создания металлургического соединения деталей с помощью металла или сплава, имеющего меньшую температуру плавления, чем соединяемые металлы. Требования к припою: должен образовать соединение достаточной механической прочности, обладать заданными электрическими характеристиками, определенным коэффициентом теплового расширения, антикоррозийными свойствами; хорошую смачиваемость металлов,максимально быструю кристаллизацию, возможность дозирования в виде проволоки, таблеток, шариков и т.д. Припои изготавливают в виде слитков, прутков, проволоки, трубки с наполнением их флюсом (таблица 3). Таблица 3- Марки припоев марка паяемый материал ПОС-70 медь,никель и их сплавы, серебро,золото,кадмий ПОС-61 --- " --ПГМ-65 медь,никель, неметаллы с покрытием медью,никелем,серебром, золотом t плавления, С область применения пайка и лужение деталей и монтажных проводов, жгутов,наконечников 183-190 пайка выводов ИС и ЭРЭ,ПП,микропроводов,работающих при t не выше 100o С 200 бесфлюсовая пайка микросхем и навесных элементов к ПП 183-238 Процесс пайки включает следующие этапы: фиксация подготовленных элементов с подготовленными поверхностями пайки; нагрев поверхностей до определенной температуры в течение определенного времени; введение в зону пайки необходимого количества флюса и припоя; расплавление припоя со смачиванием им поверхности пайки; остывание припоя в условиях, исключающих взаимное смещение паяемых поверхностей. Фиксация необходима для правильного расположения деталей, необходимого зазора для проникновения флюса и припоя, исключения смещения. Наиболее простой способ прижатие с помощью пинцета. При групповой пайке фиксацию осуществляют с помощью гнезд для деталей, технологической рамки и т.д. При пайке необходимо выдержать температуру пайки. Пониженная температура плохая смачиваемость припоем, дефект "холодная пайка". Увеличение температуры обугливание флюса, избыточное нанесение припоя. В зависимости от теплоемкости соединения выбирается мощность паяльника, которая обеспечивает нагрев поверхностей в заданное время. При этом нужно учесть, что выше определенной температуры нельзя нагревать МС и ЭРЭ. При правильно подобранной мощности паяльника падение температуры стержня не должно быть более 20-40o С. Температура должна контролироваться термопарой и регулироваться напряжением. Качественная пайка выполняется в течение 2-6с. Для предотвращения перегрева применяются теплоотводы. Флюс должен наноситься в минимальном количестве. На монтажные элементы проводов и кабелей флюс должен наноситься на расстоянии 2-3мм от торца изоляции. Качественное соединение с вогнутыми галтелями припоя по шву и без избытка припоя, т.е. скелетная форма. Поверхность галтели должна быть сплошной, гладкой, глянцевой или матовой: без пятен и посторонних включений. Формы паяных отверстий различны (рисунок 24). металлизированные отверстия неметаллизированные отверстия Рисунок 24 - Формы паяных соединений Отверстия должны быть заполнены припоем на всю пустоту, но не менее 2/3 высоты. При пайке должны быть исключены растекания припоя за границы контактных площадок, уменьшающие расстояния между соседними соединениями или проводниками. Качество паяных соединений проверяется 100%. В массовом производстве допускается выборочный контроль путем сравнения с эталоном. После пайки необходимо удалить остатки флюса, способные привести к снижению сопротивления изоляции диэлектрических материалов, к коррозии. Способ очистки отмывка в моющих средах различного состава по заданным режимам с помощью мягких щеток или кистей. В серийном производстве очистка выполняется на виброустановках с частотой 50 Гц и амплитудой 1-2мм. Промывка должна гарантировать отсутствие или низкое содержание примесей, в том числе флюсов. 6. 8 ТЕХНОЛОГИЯ МОНТАЖА ЖГУТАМИ Жгутовой монтаж монтаж объемными проводниками, объединенными в жгуты, с использованием контактных соединений, полученных пайкой, накруткой, и разъемных соединений. Требования к жгутовому монтажу:  минимальная длина связей;  надежность электрических и механических контактов;  помехозащищенность;  использование разноцветных проводов для цепей различного типа;  технологичность при настройке и ремонте аппаратуры. Конструктивно жгуты делят на межблочные и внутриблочные; плоские, объемные, с подвижными ответвлениями; по степени сложности (число ответвлений, замкнутых ветвей). Жгутовой монтаж выполняется монтажными проводами и кабелями различного назначения и типа. Изоляция проводов может быть разной: полихлорвиниловой, капроновой и пластмассовой, резиновой и т.д. Выбор определяется условиями эксплуатации. При нормальных усло- виях используются провода с полихлорвиниловой изоляцией; при повышенной влажности и температуре используется изоляция из стекловолокна или фторопласта. Требования к проводам: соответствие изоляции току и допустимому падению напряжения; механическая прочность, гибкость, эластичность, отсутствие повреждений, применение цветной изоляции (маркировочных бирок). Расчет размерной цепи провода проводится с учетом запаса на перепайку и компенсацию изгибов у контактных соединений. Отклонения должны учитывать допуски на геометрические размеры каркаса, крепления жгута, длину проводов при раскладке, установку технологических шпилек и т.д. Жгутовой монтаж позволяет изготовить жгут вне аппаратуры, т.е. параллельно с ее сборкой и другими видами электрического монтажа. Монтаж выполняется следующим образом. Провода укладывают согласно монтажной или принципиальной схемы на собранном каркасе. Концы проводов маркируются, измеряется их длина и заносится в таблицу монтажных соединений. Пример. N провода 1-2 1-6 марка сечение длина трасса провода провода,кв.мм провода,мм соединения МГШВ БПВ1 0 ,5 1,0 30 160 1Р2-10Ш1 6Ш2-3П7 соединение контакта 1 реле 2 с контактом 1 разъема Ш1 выполнить проводом МГШВ сечением 0,5кв.мм, длиной 30мм, уложив по трассе с обозначением 1-2. После укладки провода складывают в жгут; жгут снимают с каркаса, эскиз используется для разработки шаблонов, на которых осуществляют сборку опытного жгута, а затем корректировку. Основные этапы изготовления жгутов:  подготовка монтажных проводов;  раскладка проводов на шаблоне;  вязка жгута;  размещение жгута на каркасе;  получение контактных соединений. Подготовка монтажных проводов: мерная резка, удаление изоляции, маркировка, облуживание, свивание проводов. Резка проводов выполняется вручную (ножницы, кусачки); в серийном производстве автоматами для мерной резки с одновременным снятием изоляции. Зачистка от изоляции выполняется на 7-10мм для большинства, на 10-15мм для многожильных проводов. Различные способы зачистки: надрез, электрообжиг, терморазмягчение с последующим стягиванием изоляции. Текстильная, пластиковая, пленочная изоляции путем надреза или обжига. Многослойная изоляция: наружная изоляция удаляется электрообжигом, внутренняя расплетается, скручивается и обрезается на расстоянии 1мм от торца внешней изоляции. Термомеханическая зачистка выполняется специальными приспособлениями, основными элементами которых являются нить накаливания и губки-ножи. Изоляция прожигается нитью, губками стягивается. Способ позволяет снять изоляцию с экранированных проводов, и коаксиальных кабелей, имеющих наружное полихлорвиниловое покрытие сверху экранирующей оплетки, без повреждения оплетки за 2-3сек. Оплетка снимается круговой отсечкой (винтовой срез вращающими фрезами и ножами, и т.д.). После снятия изоляции оголенные концы проводов зачищают, подготовленные концы подвергают горячему облуживанию путем погружения в ванну с припоем. Маркировка осуществляется с помощью бирок, липких лент, нанесением обозначения на изоляцию проводов. Цветная изоляция используется при монтаже внутри блока. Цвет на электромонтажной схеме обозначается сокращениями или цифровыми шифрами. Наиболее распространена маркировка с помощью бирок, изготовленных из полихлорвиниловых трубок. Бирка закрепляется на конце провода, должна перекрывать обрез изоляции на 1-3мм. Условные обозначения наносятся на трубки. Свивание проводов выполняется для исключения электрических наводок. Шаг свивания 10-40мм. Операция выполняется вручную с помощью дрели или на спецстанках. Раскладка проводов на шаблоне позволяет изготовить жгут вне ЭВА. Используются плоские и объемные шаблоны. Плоский шаблон основание, на котором расположены шпильки в соответствии с конфигурацией жгута. Объемный шаблон позволяет раскладку проводов и их фиксацию в трех плоскостях. Правила раскладки проводов на шаблоне: жгут изготавливается из проводов, близких по диаметру изоляции (например, от 1 до 3 мм; от 3 до 6 мм); экранированные провода должны быть расположены внутри жгута. Экраны разделывают и спаивают; внутри жгута укладываются короткие провода с малым сечением, длинные провода снаружи, запасные провода должны находиться снаружи с обеспечением доступа к их концам. Последовательность раскладки определяется таблицей соединения с учетом правил. Вязка жгутов. Для вязки применяются нитки, шнуры, тесьму, изоляционные ленты, трубки и т.д. Операция выполняется на шаблоне. Шаг вязки t зависит от сечения проводов, числа проводов n и диаметра жгута D. Сечение провода до 0,35кв.мм Сечение провода более 0,35кв.мм n,штук t,мм D,мм t,мм <5 5-10 <=10 15-20 5-15 10-12 11-30 8-20 15-20 12-18 >30 30-40 >20 <=25 Вязка выполняется в одну, две нитки и более вручную или с помощью приспособления. Для защиты от механических повреждений жгут по всей длине (на определенном участке) обматывается изолентой. Если жгут из проводов с хлопчатобумажной или шелковой изоляцией, то для защиты от влаги жгут пропитывается водоотталкивающим составом. Для защиты от воздействия высокой температуры жгуты помещают в трубчатые, полосовые, плетеные оболочки. В серийном производстве используются конвейерные линии для изготовления жгутов, где технологический процесс разбит на ряд мелких операций, снабжен шаблонами, пистолетами для вязки жгутов, приспособлениями для снятия изоляции, установкой для лужения проводов. Размещение жгута. Жгут укладывается в соответствии с монтажной схемой. Перед монтажом контролируется наличие маркировки, отсутствие повреждений токоведущих жил и изоляции, качество лужения. Жгут на каркасе крепится металлическими скобами с установкой изоляционных прокладок. Расстояние между скобами 200-500мм, зависит от диаметра жгута. Одновременно с укладкой жгута выполняется развод проводов к соответствующим контактам. Допускается наложение жгутов или их участков. При прокладке жгутов на переходе от неподвижной части к подвижной или при огибании острых ребер используются бандажи из текстовинита или лакоткани. Для сохранения жгутов от механических повреждений при прокладке через отверстия применяются изоляционные трубки (втулки), диаметр которых допускает свободное пропускание жгута. Вместо втулки используется липкая лента, лакоткань. 6.9 МОНТАЖ ПЛОСКИМИ КАБЕЛЯМИ Монтаж плоскими кабелями монтаж объемными или печатными проводниками, объединенными в плоский ленточный провод, с использованием контактных соединений, полученных пайкой, сваркой, накруткой и разъемными соединениями. Плоские кабели применяются для электрического межблочного монтажа в модулях третьего, четвертого и пятого уровней ЭВМ. Перемычки из плоского кабеля применяются для внутриузлового монтажа на ПП, электрического соединения ПП в блоке. Основной элемент плоских кабелей многожильные ленточные провода или гибкие печатные токоведущие шины, различные по конструкции соединители, в состав которых могут входить печатные платы и специальные разъемы. Соединители обеспечивают возможность монтажа плоских кабелей друг с другом, с печатным монтажом, с объемными проводниками жгутового монтажа. Различают типы токоведущих шин следующие: опрессованные, плетеные, тканные, печатные. Ленточные опрессованные провода имеют проводники прямоугольного или круглого сечения, расположенные в одной плоскости. Выполнены, как правило, из меди с гальваническим покрытием никелем, серебром или оловом. Жилы изолированы, опресованы в пластмассовую ленту из полиэтилена, поливинилхлорида, лавсана или стекловолокна. Жилы или экранированы медной луженой проволокой, или экран нанесен на поверхность ленточного кабеля. Ленточные плетеные провода (марка ЛФ, ЛФЭ) имеют токоведущие жилы, скрученные из медной посеребренной проволоки, расположенные параллельно в один ряд и скрепленные нитью, пропитанной лаком. Предназначены для работы при напряжении до 100В и частоте до 5 кГц. Ленточные тканые провода изготавливают из обычных монтажных проводов марок МГШВЭ, МГТФ, имеют саржевое переплетение. Токоведущие провода могут быть одинакового или различного сечения, с разным шагом и определенным числом нитей (одна, две, три). Гибкие печатные кабели система печатных проводников, расположенных на диэлектрическом основании и соединенных с контактными площадками или металлизированными монтажными отверстиями. Изготавливают из фольгированных гибких диэлектриков химическим способом. Многослойные печатные кабели получают прессованием нескольких однослойных или на диэлектрике, фольгированным с двух сторон. Технологический процесс изготовления плоских кабелей:  подготовка ленточных проводов к монтажу;  сборка ленточных проводов с соединителями;  укладывание на каркасах блоков, панелей, рам и стоек с приданием конфигурации;  соединение кабеля с другими элементами. Подготовка ленточных проводов к монтажу включает мерную резку, удаление изоляции с определенных участков провода, нанесения покрытия на оголенные участки токоведущих жил. Резка проводов в соответствии с длиной монтажных трасс. Основное требование резки обеспечение перпендикулярности среза осям симметрии провода и отсутствие поврежденной изоляции. Основной инструмент гильотинный нож, установленный в приспособление для подачи и фиксации ленточного провода. Приспособления для резки могут иметь разные уровни механизации и автоматизации. Удаление изоляции механическим, термомеханическим и химическим методами. Основное требование отсутствие повреждений изоляции. Зачистка проводов зависит от марки провода и вида изоляции: механическая и механизированная зачистка, термомеханическая зачистка (тепловое размягчение и механическое удаление), химическая (раствор серной кислоты, раствор едкого натра). Изготовление ленточных кабелей. Применяются неразъемные и разъемные соединения проводов. Первые обеспечивают постоянные внутриплатные, межплатные, межблочные соединения. Получают пайкой, сваркой, накруткой и т.д. Вторые возможность подключения и отключения кабеля к печатной плате. Получают с помощью разъемов различной конструкции. Перед пайкой проводников концы облуживаются (погружением в ванну с припоем). Ориентация проводников, фиксация соединяемых проводников обеспечивается размещением концов проводов в специальных приспособлениях и колодках. Проводники паяются вручную или методом групповой пайки. Механические способы получения контактных соединений основаны на создании прочного механического контакта между элементами: способ обжатия, способ прорезки изоляции ленточного провода. Последний способ: штампованный контакт имеет паз, ширина которого в верхней части соответствует диаметру жилы. Под воздействием усилия контакт прорезает изоляцию ленточного провода, плотно схватывает жилу, обеспечивая коммутацию. Но необходимо учесть, что контакты должны располагаться с шагом, равным шагу между токоведущими жилами. Монтаж с помощью ленточных кабелей. Достоинства ленточного кабеля простота монтажа ЭВМ. Размещение соответствует электромонтажной схеме, составленной на основе электрической схемы соединений, схем размещения блоков в каркасе панели, рамы, стойки. Чертеж стенки каркаса, обозначают габариты блоков, уровни размещения блочных разъемов; затем вертикальные и горизонтальные трассы прокладки ленточного кабеля. Составляется таблица, в которой указывается адрес присоединения кабелей, порядок укладки, координаты перегибов с учетом технологичности монтажа. Для изменения направления кабеля используют различные способы сгибания с помощью плоскогубцев со сменными насадками. При монтаже подвижных блоков ленточному кабелю придают пространственную форму: укладывают в рулон, укладывают в "гармошку", в "змейку". Крепление ленточных кабелей выполняется с помощью зажимов и клеевых соединений. В качестве зажимов металлические и неметаллические скобы. Клеевые соединения исполь- зуются для фиксации небольших по размерам кабелей. Дополнительные опоры в виде скоб, уголков, швеллеров. Контроль ленточных кабелей: на отсутствие обрывов проводников, сопротивление изоляции между проводниками и шинами "земля", наличие электрических связей между кабелем и контактами соединителей. Контроль возможен автоматический (существуют стенды, работающие в автоматическом и ручном режиме). 7 ЗАЩИТА ЭВМ ОТ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ 7.1 ЗАЩИТА ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ВТ подвергается воздействиям ударов, вибрации при транспортировке, погрузке, эксплуатации, что вызывает механические нагрузки, приводит к деформации и разрушению. Появляется прерывистый электрический контакт, образуются радиопомехи, усталостные поломки. Изменение параметров сигналов приведет к отказам аппаратуры, потере вибро- и удароустойчивости. Если собственная частота совпадает с частотой возмущающего воздействия, то перегрузки возрастают многократно. Для того, чтобы максимально учесть все факторы, необходимо собрать наиболее полные данные о вибрационных и ударных харакатеристиках объекта эксплуатации, условиях транспортирования. Свойство конструкции противостоять внешним воздействиям с допустимыми деформациями называется жѐсткостью. Повышая жесткость деталей, модулей и механическую прочность добиваются уменьшения влияния механических воздействий . Это достигается приклеиванием компонентов к установочной поверхности, покрытием лаком печатной платы вместе с компонентами, заливка монтажа компаудом, амортизацией аппаратуры. Жесткость конструкции повышается увеличением площади опертых поверхностей, силовой затяжкой узлов сочленения. Механическая прочность проверяется методами сопромата, теории упругости. Поскольку на практике конструкции ЭВМ имеют сложную конфигурацию, то чаще всего для расчетов применяется упрощенная модель. Печатные платы, стенки кожухов, блоков и пр. относят к пластинам это тело, толщина которого намного меньше размеров основания. Закрепление пластин осуществляется пайкой, сваркой, зажимом, винтовым соединением, установкой ПП в направляющие или в pозеточную часть соединителя. Расчет вибропрочности Порядок выполнения проверочного расчета на вибропрочность: 1. Выделение в конструкции деталей (узлов), имеющих наибольшие деформации с учетом направления воздействия вибраций. 2. Выбор расчетной модели . 3. Расчет собственной частоты . 4. Определение нагрузки и сравнение полученных значений с пределами прочности выбранных материалов. 5. Принятие решения. В случае необходимости повышение прочности конструкции. Для увеличения вибропрочности в конструкцию вводят рѐбра жѐсткости, отбортовки, дополнительные крепления, демпфирующие покрытия. Внешние вибрационные воздействия обычно на практике задаются небольшим (узким) диапазоном. Собственная частота fо не должна находиться в спектре частот внешнего воздействия. Если fо входит в диапазон частот, то конструкцию дорабатывают с целью увеличения fо и выхода из спектра частот возмущающих факторов. Собственная частота fо зависит от способа крепления. Пластина может быть закреплена разными способами (рисунок 27): lД lШ а. б. в. + защемлѐнная сторона. - опѐртая сторона. Рисунок 27 -. Способы крепления пластины Собственная частота fо для ПП с равномерно распределенными компонентами равна: а) f0  1.57 * ( б) f0  в) 0f  1 2 l Д lШ 1 2 l Д lШ 2 1 lД 2  1 lШ 2 )7 F , 5.14l Д  l Ш  2.5 * l Д l Ш F 4 2 4 2 2 2.44l Д  l Ш  2.34 * l Д l Ш F 4 4 2 2 где lд , lш - длина и ширина ПП, F EJ 2 k g ( l Д l Ш hT  m )(1   m )  , kg - виброперегрузка;  - плотность вещества платы; hт - толщина платы; m - общая масса установленных элементов элементов; m - коэффициент Пуассона; J - момент инерции; E - модуль упругости. Формулы можно использовать при расчете пластин, панелей и т.д. Если пластина нагружена только собственной массой, то суммарная масса установленных элементов pавна 0 . Для разных материалов различны значения: E = 9.81*109 H/m2 ,  = 1.4*103 кг/m3 , m = 0.2 для стеклотекстолита; E = 68.7*109 H/m2 ,  = 2.8*103 кг/m3 , m =0.32 для алюминиевых сплавов и т.д. Справочные данные приведены в таблицах, в многочисленной литературе. Для проверки на вибропрочность блоков, например, рассматривают направления вибрации. Если вибрации действуют в трѐх взаимно перпендикулярных направлениях, то для вибраций, имеют наименьшую жѐсткость крышка, основание, узел плат (рисунок 28). Рисунок 28 - К расчету собственной частоты блока Отдельно определяются собственные частоты крышки, основания, узла плат и все они должны быть вне диапазона частот с заданными виброперегрузками. Один из эффективных методов повышения устойчивости конструкции ЭВМ вибрациям, ударным и линейным нагрузкам использование амортизаторов. Действие амортизаторов основано на демпфировании резонансных частот поглощении части колебательной энергии. По принципу своего действия, а также из-за технических трудностей, амортизаторы не могут полностью решить вопрос об устранении влияния механических воздействий на ЭВА, а их использование существенно увеличивает вес и габариты аппаратуры. Однако амортизация ЭВА имеет большое практическое значение и широко используется на практике. Конструирование системы амортизации (СА) ЭВА 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. 7.2 ЗАЩИТА ОТ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ Средства ВТ функционируют в строго ограниченном температурном режиме. Уход температуры за пределы ведѐт к необратимым последствиям. Температура действует на электронные схемы, изменяет параметры сигналов. При повышенной температуре снижаются диэлектрические свойства материалов, ускоряется коррозия контактов, конструкционных материалов. При пониженной температуре затвердевают и трескаются резиновые детали, повышается хрупкость материалов. Различия в коэффициентах линейного расширения приводят к разрушению залитых смолами конструкций, а следовательно, к разрушению электрических соединений, ослаблению креплений и.т.д. Нормальный температурный режим ЭВМ режим, который при изменении в определѐнных пределах внешних температурных воздействий, обеспечивает изменение параметров и характеристик схем, компонентов, материалов в пределах, указанных в технических условиях. Высокая надѐжность, большой срок службы ВТ будут гарантированы, если температура среды внутри ВМ нормальная (20-25° С) и изменяется не более, чем на 2° С/час. Для обеспе- чения нормального теплового режима приходится идти на усложнения конструкции, увеличение габаритов, массы, введение дополнительного оборудования. Если температура низкая, то сначала нагревают аппаратуру, при достижении нормальной температуры приступают к эксплуатации. Затем из-за самонагрева может понадобиться охлаждение. Чаще всего конструктор решает задачу удаления избытка температуры в результате саморазогрева ЭВМ. Для этого используется воздушное естественное и принудительное охлаждение; жидкостно-воздушное охлаждение. Если же требование к стабильности параметров высокие, жѐсткие, то используется термостатирование узлов, блоков. Естественное охлаждение применяется в калькуляторах, микро-ЭВМ , аппаратуре с плотностью тепловых потоков не более ,05 Вт/см 52 . Элементы охлаждаются за счѐт естественной конвекции воздуха, излучения и теплопроводности. Особое внимание уделяется компоновке: равномерное распределение выделяемой мощности по всему объѐму. Для этого ячейки с большими тепловыми выделениями необходимо располагать в верхней части или вдоль стенок, критичные к температуре внизу, или защищать экранами. Различают герметичные и перфорированные кожухи. В перфорированном круглые, прямоугольные, квадратные отверстия. Для поступления свободных конвективных потоков между установочной поверхностью и днищем нужно расстояние не менее 30 мм, что можно получить установкой прибора на амортизаторы. Принудительное воздушное охлаждение осуществляется автономными вентиляторами или подачей воздуха от центрального кондиционера (в рамах и стойках ЭВМ с тепловыделениями не более ,5 Вт/см2 ). Охлаждение вентиляторами по схемам подачи воздуха снизу вверх, сверху вниз. Вентилятор представляет собой электродвигатель с крыльчаткой. Вентиляторы устанавливаются либо в прибор, либо в специальные блоки, снабжѐнные элементами коммутации и фиксации на каркасе рамы, стойки. В блоке обычно имеются несколько вентиляторов, фильтры противопыльные, элементы сигнализации неисправного состояния. Подача охлаждѐнного воздуха от центрального кондиционера по системе воздуховодов используется в больших ЭВМ со значительными тепловыделениями. Охлаждаемый воздух подаѐтся в стойки. Недостаток разработка системы кондиционирования, воздуховодов, сложность при перепланировке технических средств, установке нового оборудования. Жидкостно-воздушная система охлаждения используется для больших ЭВМ. Отвод теплоты от блоков осуществляется поступающим от вентиляторов воздухом и жидким хладоагентом, протекающим по трубам к охладителям. Охладитель система трубок, расположенных над каждым блоком. Выбор системы охлождения (СО) определяется режимом работы, конструктивным исполнением, рассеиваемой мощностью, объектом установки, окружающей средой. Выполняется тепловой расчет. Для этого составляется перечень тепловыделяющих элементов, устанавливается мощность рассеяния, максимально допустимые значения температуры, рассчитываются тепловые потоки компонентов. На основе этого выделяются критичные к перегреву элементы, компоненты, которые должны быть установлены на теплоотводы. Для каждого модуля составляется перечень входящих модулей, размещение по критерию минимального перегрева, составляется уравнение теплового баланса, по которому расчитывается расход хладоагента. Тепловые расчеты подтверждают правильность выбранной СО, но окончательное решение принимается только после совместных испытаний ЭВМ и СО. Методики теплового расчета различны, но в основном используют модель нагретой зоны (H3), представляющей собой теплонагруженные элементы вместе с конструктивными элементами. Выбирается одна или несколько нагретых зон. Если набор ПП, то нагретая зона- параллелепипед, размеры которого меньше размеров набора плат. В Н3 не входят поверхности, служащие для установки лицевых панелей, соединителей, поверхность платы, предназначенная для установки по направляющим. Расчет теплового режима блока с естественным воздушным охлаждением Исходные данные: размеры блока Lб1 , Lб2 , Lб3 ; мощность, рассеиваемая блоком Рб ; площадь поверхности компонента Sк , количество Nво и площадь Sво вентиляционного отверстия; максимальная температура окружающей среды Тос ; сборочный чертеж блока. Расчет выполняется следующим образом: 1. Повеpхность кожуха блока Sк.б. = 2*[Lб1 +Lб2 +(Lб1 +Lб2 )* Lб3 ] 2. Повеpхность нагpетой зоны Sн.з. = 2*[Lз1* Lз2 +(Lз1 + Lз2 )*Lз3*kз.б. ], где kз.б. коэффициент заполнения блока. 3. Удельная мощность, рассеиваемоя кожухом. q к .б .  Pб S К .Б 4. Удельная мощность, рассеиваемая НЗ: q Н .З .  Pб S Н .З 5. Нагрев Т1 , Т2 определяются из графиков (справочные данные), 6. Площадь всех вентиляционных отверстий: Sв.о = Nв.о*Sв.о 7. Коэффициент перфорации KП .Ф.  S В.О l б1 * l б 2 8. По графику определяется коэффициент теплоотдачи Кт = f(Кпф ) Кm 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.4 0.6 0.8 K 4пф 9. Перегрев кожуха Ткж = 0,93 kT *Т1 10. Перегрев НЗ Тнз = kT *Т2 11. Удельная мощность, рассеиваемая компонентом Pk Sk 12. Перегрев поверхности компонента qk  TK  TНЗ (0.75  0.25 qk ) q Н .З 13. Перегрев окружающей компонент среды qk ) q Н .З где Тс.п. средний перегрев, равный TС .К  TC . П (0.75  0.25 Тс.п. =0,6 Тп.з. 14. Температура кожуха, НЗ, воздуха в блоке, поверхности компонента и окружающей среды определяется суммированием соответствующих перегревов, и максимальной температуры окружающей среды: Тк = Ткж + То.с. Если температура критичного к перегреву компонента оказывается выше значения, указанного в ТУ, то способ охлаждения не обеспечивает работоспособность и возникает необходимость в принудительном охлаждении. Расчѐт теплового режима с принудительным охлаждением выполняется по анологичной методике с учѐтом расхода воздуха Gв. 7.3 ЗАЩИТА ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ Влияние климатических факторов выражается в возникновении процессов коррозии, потере механических, диэлектрических свойств, изменении электропроводности и т. д. Степень и скорость изменения свойств материалов зависит, естественно, от природы материала. Природа коррозии может быть химическая или электрохимическая. Химическая коррозия протекает без участия влаги. При электрохимической коррозии процесс протекает с участием влаги. В любом случае, коррозия--это переход металла в исходное состояние, из которого он был получен с затратой большой энергии. Различают 3 вида коррозии: равномерную, неравномерную, межкристаллическую. Равномерная процесс постепенно распространяется от отдельных коррозирующих мест по всей поверхности металла. Неравномерная коррозия ограничивается отдельными местами, возникает в результате нарушения защитного покрытия. Межкристалическая коррозия характеризуется проникновением вглубь металла путѐм разрыва структуры и распространением вдоль границ кристалов. Коррозийная стойкость основных металлов, применяемых в производстве ВТ: 1. Наиболее устойчив алюминий вследствии самопроизвольного образования плѐнки (толщина ,01-0,02 мкм). Применяются сплавы с магнием и марганцем, стойкие даже в морской атмосфере. 2. Медь тоже образует защитный слой, на прочность слоя ниже, чем у алюминия. Поэтому вероятность разрушения медных проводников выше. Сплавы с никелем, оловом более устойчивы к влажному тѐплому климату, промышленной атмосфере, морскому туману. 3. Сплавы олова и свинца, используемые в качестве припоев, характеризуются средней коррозийной стойкостью. По истечении времени сплавы покрываются неэлектропроводным массивным слоем, толщина которого растѐт со скоростью 0,43-0,69 мм/год в промышленной атмосфере, 0,56 мм/год на морском побережье, 0,23-0,48 мм/год в континентальном климате. 4. Изоляционные материалы поглощают влагу, ухудшаются диэлектрические свойства, разрушаются. Изоляционные пластмассы все поглощают влагу, но количество проникшей влаги различно. Аналогично и с высыханием (выделением влаги в атмосферу). Поглощение влаги влечет уменьшение сопротивления изоляции, набухание, механическое повреждение. По мере роста влагопоглощения располагаются: полистирол (0.006%), пресс-порошок К-21-22 (0.1%), текстолит (0.8-1.5%), стеклотекстолит (1.5%), гетинакс (1-2.5%). Для защиты поверхности материалов от климатических факторов используют покрытия, которые по назначению подразделяют на 3 группы: защитные, защитно-декоративные, специальные. Защитные покрытия предназначены для защиты от коррозии, высыхания, гниения и пр. процессов, вызывающих выход аппаратуры из строя. Защитно-декоративные покрытия наряду с защитой деталей придают красивый внешний вид. Специальные покрытия придают поверхности особые свойства или защищают от влияния особых сред. По способу получения покрытия подразделяют на металлические и неметаллические. Металлические покрытия покрытия, нанесенные горячим способом, гальванические, диффузионные и металлические на диэлектриках. Неметаллические покрытия покрытия лаками, эмалями, пластмассами. Выбор покрытия определяется материалом детали, ее эксплуатационным назначением, условиями эксплуатации. Пример 1: металлические покрытия. Цинковое покрытие для защиты от коррозии деталей из стали, меди, медных сплавов (корпуса, крышки, панели, шасси, каркасы). Толщина покрытий 6-30 мкм. Никелевое покрытие обеспечивает защиту деталей из тех же материалов от коррозии (экранов, корпусов, крепежных деталей, увеличение твердости деталей). Толщина 3-18 мкм. Золотое покрытие позволяет уменьшить переходные сопротивления контактов, пружин, лепестков из меди, медных сплавов. Толщина 5-21 мкм. Пример 2: лакокрасочные покрытия для умеренного климата. Используются лак 170 (бесцветный), нитроцеллюлозные эмали НЦ-11 (синий, серый цвет), ЭМ-508 (зеленый), НЦ25 (белый, бежевый, голубой, синий). Покрытия полуглянцевые, прочные, обладают высокой декоративностью, полируются. Выдерживают температуру от +60° до 60°С. Для повышенных температур (от +60° до +300° С) используется эмаль ГФ820(серебристая). Для обеспечения повышенной электроизоляции используется полиуретановый лак УР231(светлокоричневый цвет). Покрытие твѐрдое, прочное, выдерживает температуру от 60 до +120 С. Предназначен для защиты изделий из металлов и пластмасс. Герметизация используется для защиты отдельных элементов, узлов, устройств или всей машины. Известны различные способы герметизации с помощью: 1. изоляционных материалов; 2. непроницаемых для газов оболочек. Защита изоляционными материалами производится пропиткой, заливкой, опрессовкой. Пропитка изделия заполнение всех каналов электроизоляционным материалом. Одновременно образуется тонкая изоляционная пленка.Пропитка выполняется погружением в жидкий материал. После извлечения материал затвердевает. Заливка все полости, в т.ч. пространство между элементами заливают изоляционным материалом. После отверждения образуется толстый защитный слой. Заливку выполняют в специальных формах. В качестве заливочных и пpопитывающих материалов широко применяются эпоксидные смолы ЭД-5, ЭД-6 и компаунды на их основе (добавление различных составляющих). Опрессовка выполняется в спецформах с помощью термопластичных масс,этот способ не получил широкого распространения. Защита непроницаемыми для газов оболочками наиболее совершенный способ защиты, т.к. обладает возможностью разгерметизации в производственных условиях. Герметические корпусы (вакуумноплотная герметизация) выполняются с разъѐмными и неразъѐмными швами. Неразъѐмные швы выполняются пайкой, сваркой, склеиванием и т.д. Разъѐмные швы: между соединяемыми деталями помещают прокладку, например из резины круглого, квадратного или прямоугольного сечения. В зависимости от назначения шнуры изготавливают из теплостойкой, морозостойкой и т.д. резины. Полная герметизация наиболее эффективна, но и наиболее трудоемка и дорога, т.к. необходима разработка специальных кожухов, прокладок, внешних соединителей, выходов жгутов и т.д. Известны методики расчета герметизации. Следует отметить, что выбор способа герметизации определяется условиями эксплуатации, применяемыми материалами и покрытиями, требованиями к электрическому монтажу. Окончательное решение принимается только после проведения испытаний изделий ВТ в камерах влажности. 8 ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ ЭВМ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ Надѐжность ЭВМ - свойство выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в допустимых пределах в течение требуемого времени. В любой момент ЭВМ может находиться в исправном или неисправном состоянии. Исправное состояние - это когда система или ЭВМ соответствует всем требованиям нормативно-технической и конструкторской документации. Неисправным состоянием считается состояние, при котором ЭВМ не соответствует хотя бы одному требованию. Для оценки надѐжности введены понятия "работоспособность" и "отказ". Работоспособность ЭВМ - это состояние ЭВМ, при котором она в данный момент времени соответствует требованиям по основным параметрам, характеризующим нормальное протекание вычислительных процессов. Основные функции выполняет, но могут быть повреждения, не влияющие на электрическкие параметры (царапины, вмятины на корпусе, нарушение маркировки на корпусе и т.д.) Отказ - событие, состоящее в полной или частичной утрате работоспособности. Сбой - временная утрата работоспособности ЭВМ, характеризующая возникновение ошибки при выполнении тестов или задач. С точки зрения надѐжности ЭВМ обладает следующими свойствами: 1. Безотказность - свойство непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени; 2. Долговечность - свойство ЭВМ сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при выполнении технического обслуживания; 3. Ремонтопригодность - приспособляемость ЭВМ к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов и их устранению путѐм проведения технического обслуживания и ремонта; 4. Сохраняемость - свойство ЭВМ непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хранения и транспортирования. Количественно надѐжность характеризуется показателями надѐжности: единичными и комплексными. Единичный показатель относится к одному свойству; комплексный - к нескольким свойствам с точки зрения надежности. Единичный показатель рассчитывается для типовых конструкций и ЭВМ; комплексный показатель для ЭВМ в целом. Процесс возникновения отказов имеет сложный вероятностный закон. Чаще всего используют экспериментальные данные и последующую их обработку. Выбор количественных характеристик зависит от типа ЭВМ. Различают два типа ЭВМ: 1. Восстанавливаемые ЭВМ, которые допускают ремонт в процессе выполнения функций. Если происходит отказ, то прекращается функционирование ЭВМ на период устранения отказа. 2. Невосстанавливаемые ЭВМ те, которые в процессе выполнения функций не допускают ремонт. Если происходит отказ, то выполняемая функция сорвана, еѐ выполнение повторяется после устранения отказа. Это устройства одноразового и многоразового действия (система ПВО, система управления технологическими процессами и т.д.) Для оценки надѐжности типовых конструкций исходными данными являются принципиальная схема, режимы работы, значения интенсивности отказов всех типов деталей; значение среднего времени безотказной работы. Рассчитывают интенсивность отказов дляячейки, панели и т.д.; наработку на отказ; среднее время восстановления. Выявляются ненадежные компоненты: интегральные микросхемы, ЭРЭ, элементы монтажа ( связи, разъемы и т.д.). Суммарная интенсивность отказов типовой конструкции равна N    ni , i i 1 где N - число элементов; i - интенсивность отказов i-элемента; ni - количество элементов iго типа. Наработка на отказ T0  1  . Интенсивность отказов комплектующих элементов зависит от режима работы, степени тяжести воздействия внешних воздействий: температуры, температурного удара, влажности, вибрации, радиации и т.д.:  = 0 * K1 * K2 * .. * Кn , где 0 - интенсивность отказов нормальных при температурных условиях; К 1 . К2 ... Кn поправочные коэффициенты. К = 1 для лабораторных помещений, К = 5...10 стационарные наземные устройства; К= 25 автоприцеп; К = 900...1000 для ракет. Пример: Схема устанавливается на устройстве,установленном на самолѐте. Содержит N = 200 микросхем.Интенсивность отказа микросхем  =10-6 1/ч. Найти Тср ; Р(t) при t = 20 часов. Для самолета К=150. S = 10-6 *200*150 = 3*10-2 1/ч = 0,03 1/ч. TСР  1 S  P(t )  e 1  33.3 часа 0.03  NK it  e 0.03720  e 0.6  0.553 т.е. показатели надѐжности Тср = 33,3 часа и Р(20) = 0,553 не могут удовлетворить разработчиков, поэтому для повышения надѐжности используются различные способы. 10 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 10.1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС КАК СЛОЖНАЯ СИСТЕМА Производство ЭВМ сложная система, совокупность большого количества технологических процессов, основанных на различных физических и химических методах обработки материалов и применяемых в производстве элементов, узлов и устройств различного назначения. Микроминиатюризация аппаратуры, повышение ее быстродействия и точности функциональных параметров вызывают необходимость использования методов неразрушающего контроля и управления. Все это приводит к усложнению технологических объектов и связей между ними. Повышение количественных и качественных показателей производства, возникновения новых технологических процессов и возможность их осуществления привели к усложнению технологических процессов. Отметим признаки технологического процесса производства ЭВМ как сложной системы. 1. Наличие большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих элементов (так называемый элемент это объект, который не подлежит расчленению). 2. Сложность функций, выполняемых системой. 3. Возможность разбиения системы на подсистемы, которые подчинены общей цели функционирования. 4. Управление системой представляет иерархическую структуру, наличие разветвленной информационной сети, интенсивных информационных потоков. 5. Взаимодействие с внешней средой и функционирование при воздействии случайных факторов. При проектировании технологических процессов необходимо учесть особенности производства ЭВМ, прежде всего: 1. Взаимодействие технологии, конструирования и схемотехники; 2. Многоэтапность и сложность, требующие высокой квалификации операторов; 3. Разнообразие технологических процессов; 4. Сочетание процессов, свойственных машиностроению, со специфическими; 5. Использование многопозиционных методов изготовления электрических схем с большой точностью и высокой разрешающей способностью выполнения отдельных операций; 6. Сочетание многопозиционных методов изготовления и индивидуальных методов сборки; 7. Сложность и большая трудоемкость контроля параметров сборочных единиц; 8. Зависимость производства от большого числа факторов, влияющих на конечный результат, вследствие чего показатели качества детали, технологической единицы являются случайными величинами. Все это свидетельствует о сложности задач, стоящих перед технологами и требующих знаний методов производства, физико-химических основ технологии, конструирования и развития ЭВМ. Разработке любого технологического процесса должен предшествовать анализ назначения изделия, отдельных узлов и деталей, технических требований; условий производства, марка оборудования, его состояния и загрузки. Технолог должен рассчитать загрузку действующего оборудования, потребность недостающего оборудования с целью приобретения или технического задания на проектирование специального оборудования или оснастки. Технолог должен учесть наличие очистных сооружений и их мощность для очистки промышленных стоков и улавливания вредных выбросов в атмосферу. Технолог определяет объем ресурсов: основных и вспомогательных материалов, сырья, полуфабрикатов и пр., составляет и обосновывает нормы расхода. Технологу необходимы знания по экономике: производство должно быть рентабельным. Он должен уметь рассчитать эффективность выбранного варианта техпроцесса. Технолог обязан выпустить технологическую документацию и внедрить разработанный ТП (участие в испытании спецоснастки и оборудования, инструктаж рабочих, выполняющих технологические операции, отработка новых приемов в работе, помощь в наладке оборудования и т.д.). Технолог обязан контролировать технологическую дисциплину и корректировать технологическую документацию в случае необходимости (внедрение нового оборудования, изменение маршрутной технологии и т.д.). Основные виды технологической документации:  маршрутная карта - предназначена для описания технологического процесса изготовления и контроля изделия по всем операциям в технологической последовательности с указанием данных по оборудованию, оснастке, материальным и др. нормативам;  операционная карта - описание операций технологического процесса изготовления изделия с расчленением по переходам и указанием режимов работы, расчетных норм;  карта эскизов и схем - предназначена для графической иллюстрации технологического процесса изготовления изделия и отдельных элементов. Дополняет или поясняет содержание операции;  спецификация технологических документов - перечень всех технологических документов, выпущенных на изделие и отдельные элементы;  технологическая инструкция - описание специфических приемов работы или методики контроля техпроцесса, правил пользования оборудованием и приборами, описание физико-химических процессов, происходящих при отдельных операциях технологического процесса;  материальная ведомость - подетальная и сводная ведомость норм расхода материалов;  ведомость оснастки - перечень специальных и стандартных приспособлений и инструментов, необходимых для оснащения технологического процесса. Правила оформления перечисленных документов регламентированы государственными стандартами Единой системы технологической документации. Рассмотрим вопросы, касающиеся технологической подготовки производства. 10.2 ЕДИНАЯ СИСТЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА (ЕС ТПП) Одно из условий повышения технического уровня качества, сокращения сроков освоения новых изделий технологическая подготовка производства. Технологическая подготовка производства сложный комплекс организационнотехнических мероприятий и инженерно-технических работ, связанный с подготовкой предприятия к выпуску новых видов изделий. В ТПП участвуют проектно-конструкторские, технологические службы предприятия, цехи, плановые службы, предприятия-смежники. Все передовое, лучшее в области ТПП было обобщено в стандартах Единой системы подготовки производства (ЕС ТПП). ЕС ТПП установленная государственными стандартами система организации и управления процессом ТПП, предусматривающая широкое применение прогрессивных типовых технологических процессов оснастки, оборудования, средств механизации и автоматизации производственных процессов, инженерно-технических и управленческих работ. Основное назначение ЕС ТПП установление организации и управления процессом производства. В ТПП можно выделить функциональный, производственный и административный состав. Функциональный состав ТПП это совокупность процессов, выполняющих функции обеспечения технологичности конструкции изделий , разработку ТП; проектирование и изготовление средств технологического оснащения; организации и управления ТПП. Каждая функция получение документа (или массива) из необходимого состава входных данных. Входная информация это конструкторская, планово-экономическая документация, планы по трудоемкости, себестоимости, сроки освоения и производственная программа. Выходная информация сведения о качественных технических характеристиках изделия, потребности в оборудовании и технологической оснастке, трудоемкости, себестоимости и пр. Производственный состав системы ТПП это перечень производств, имеющихся на предприятии: штампово-заготовительное, литейное, сварочное, производство деталей из пластмасс, сборочно-монтажное, наладочно-испытательное и т.д., т.е. все, на которые имеется документация. Производственный состав периодически уточняется. Административный состав это структура служб с учетом требований ЕС ТПП и специфики конкретного предприятия с точки зрения функционального и производственного состава. Состав служб технологические и конструкторские бюро, технологические лаборатории, центральная заводская лаборатория. Основной принцип организации технологических служб централизация руководства всеми службами и непосредственная связь с производством. Руководство всеми службами осуществляет главный технолог (либо начальник специального конструкторско-технологического бюро СКТБ). Существует несколько структур технологических служб: 1. Все технологи работают в службах отдела главного технолога (ОГТ). Плюсы: возможность разработки перспективных ТП, высокий уровень оформления тех нической документации на базе стандартов, научно-технической литературы. Минус сложность увязки ТП с цехами, трудность контроля технологической дисциплины. 2. Часть технологов работает в технологических бюро цехов и подчиняется начальнику цеха. Плюсы: выше технологическая дисциплина, сокращаются сроки освоения ТП. Минусы: перспективные разработки по срокам удлиняются, т.к. много текущей работы у технологов. 3. Комбинированная структура часть технологов в зависимости от специализации работают в бюро цехов, но подчиняются главному технологу. Позволяет совместить плюсы первых двух структур. Техбюро обычно организуют в цехах, производство которых требует большой технологической подготовки: механической обработки, производства ИС, ПП, сборки ТЭЗов и т.д. В ОГТ техбюро организуют по видам обработки и выпускаемых изделий: бюро механической обработки, бюро обработки на станках с ЧПУ; конструкторские бюро с ОГТ: бюро штампов, бюро пресс-форм, бюро нестандартной оснастки и т.д. На крупных предприятиях с большим объемом выпуска продукции в ОГТ организуются технологические лаборатории: ПП, полупроводниковых ИС, ферритов и т.д. Лаборатории ведут большой объем технологических исследований: исследования материалов при поставке, изменение материалов в ходе технологической обработки, режимов операции, функциональных параметров изделий. Дальнейшее развитие технологических служб создание автоматизированных систем технологической подготовки производства, автоматизированных рабочих мест конструкторатехнолога. Система ТПП предназначена для разработки и внедрения новой, для совершенствования действующей технологии изготовления изделий, технологического оснащения производства, передовых и совершенных форм, методов организации производства, труда и управления; типизации, стандартизации и автоматизации с использованием средств вычислительной техники и научной организации труда. Для предприятий, выпускающих СВТ в условиях мелкосерийного и серийного производства, следует отметить следующие основные задачи ТПП:  отработка конструкции на технологичность;  организация и управление ТПП;  стандартизация и разработка ТП;  технологическое оснащение производства;  разработка норм, совершенствование организации ТПП. Отработка на технологичность включает проведение технологического контроля конструкторской документации, оценку уровня технологичности конструкции изделия, отработку конструкции на технологичность, снижение затрат в производстве за счет повышения технологичности. Эту задачу решают ведущие технологи предприятия. Организация и управление ТПП задача решается плановой группой отдела главного технолога, которая распределяет номенклатуру деталей и сборочных единиц между технологическими бюро, выявляет узкие места графика ТПП, контроль за выполнением этапов работ по ТПП. Стандартизация и разработка ТП. Работы выполняются группой типизации отдела главного технолога, которая должна провести анализ конструктивных особенностей детали, сборочной единицы, обобщение результатов анализа и подготовку рекомендаций по стандартизации; разработку типовых технологических процессов, формирование заводских фондов документации на типовые ТП. Бюро групповой обработки выполняет анализ и уточнение границ групп деталей и сборочных единиц, разработку групповых ТП. Технологические бюро ОГТ разрабатывают и совершенствуют ТП: индивидуальные ТП, ТП обработки деталей, сборки, наладки, испытаний узлов и изделий в целом; осуществляют корректировку ТП. Технологическое оснащение производства. Занимается КБ и ТБ ОГТ: проводят унификацию и стандартизацию средств технического оснащения, рассматривают возможность применения универсально-наладочных штампов, универсально-сборочной оснастки, универсальных пресс-форм и т.д.; выявляют потребность в оригинальной оснастке, осуществляют ее проектирование и запуск в производство; разрабатывают универсальную тару для деталей и сборочных единиц, проектируют и оснащают рабочие места в соответствие с типовым ТП. КБ ОГТ: проектирование специальных инструментов, приспособлений, пресс-форм и др. с учетом достижения высокого уровня оснащенности. ТБ ОГТ: выбор вариантов специального технологического оборудования, выпускаемого промышленностью, или разрабатывает техническое задание на его изготовление. Разработка норм. Эту задачу решает группа нормирования: технически обоснованные нормы расхода материалов, обоснование норм затрат труда, норм времени на выполнение операций, разработка стоимостных затрат подетально, по изделию, по цеху. Совершенствование организации ТП заключается в разработке стандартов, нормативов, методических рекомендаций, руководящих материалов, регламентирующих ТПП. 10.3 ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ ВТ Технологичность конструкции сочетание конструктивно-технологических требований, обеспечивающее наиболее простое и экономичное производство изделий при соблюдении всех технических и эксплуатационных условий. Требование технологичности стремятся выполнять с момента разработки эскизного проекта до изготовления опытного образца и серии. Отработка конструкции на технологичность, ее характер, продолжительность зависит от вида производства, объема выпуска, типа и назначения изделия, метода изготовления, прогрессивности оборудования и оснастки, организации производства. Наиболее целесообразна отработка технологичности изделия в процессе проектирования. Например, при разработке оригинальной детали ЭВА основными конструктивнотехнологическими этапами являются следующие : 1. Обеспечение оптимальных эксплуатационных свойств (прочность, жесткость, точность, надежность, функциональная взаимозаменяемость, эстетичность и т.д.). 2. Установление конструктивно-технологических требований (материал, формы, размеры, допуски, качество поверхности, сравнительный технико-экономический анализ конструкции, рекомендации по созданию типовой унифицированной детали и т.д.). 3. Обеспечение рационального процесса производства (экономия материала, снижение трудоемкости, экономия затрат на подготовку производства, удобство сборки, условия для автоматизации сборки и т.д.). Первые два этапа учитывают технические и эксплуатационные параметры изделия. Третий этап по обеспечению технологичности изделия учитывает особенности предприятия-изготовителя (тип производства, оснащенность, применение типовых технологических процессов и т.д.). Решаются такие задачи, как сокращение сроков подготовки производства, освоение изделия при заданном объеме выпуска, обеспечение высокого качества продукции и т.д. Работы по обеспечению технологичности предусматривают унификацию и стандартизацию элементов конструкции; оценку технического уровня изделия, заключающуюся в определении новизны и перспективности конструкции; анализ технологичности изделия, возможность применения типовых и стандартных деталей при технологической подготовке производства. Различают оценку комплексных показателей технологичности конструкции для опытного образца, установочной серии, серийного производства. В зависимости от конструктивно-технологических особенностей изделия разбивают на несколько групп:  электронные блоки (логические, аналоговые, блоки оперативной памяти, кодовые преобразователи, генераторы импульсов и т.д.);  электромеханические и механические блоки (механизмы привода, отсчетные устройства, редукторы, волноводные блоки);  радиотехнические блоки (вторичные и стабилизированные источники питания, выпрямители и т.д.);  коммутационно-распределительные блоки (коммутаторы, переключатели, коробки распределительные и т.д.). Расчет комплексных показателей технологичности каждой группы изделий ведется по конструктивным и технологическим базовым показателям. Конструктивные показатели: коэффициент применяемости деталей Кпд ; коэффициент применяемости ЭРЭ Кп эрэ; коэффициент применяемости сборочных единиц Кпе; коэффициент повторяемости деталей и узлов Кпов.д ; коэффициент повторяемости ЭРЭ Кпов.эрэ ; коэффициент повторяемости микросхем Кпов.ис ; коэффициент повторяемости печатных плат Кпов.пп; коэффициент повторяемости материалов Кпов.м ; коэффициент использования микросхем Кисп.ис ; коэффициент установочных размеров ЭРЭ Куст.р ; коэффициент освоенности Косв ; коэффициент сложности сборки Кс.сб ; коэффициент сборности изделия Ксб ; коэффициент точности обработки Кт.о . Технологические показатели: коэффициент автоматизации и механизации подготовки ЭРЭ Км.п.эрэ ; коэффициент автоматизации и механизации монтажа Ка.м ; коэффициент автоматизации и механизации операции контроля и настройки электрических параметров Км.к.н ; коэффициент применения типовых технологических процессов Кт.п ; коэффициент прогрессивности формообразования детали Кф ; коэффициент сложности обработки Кс.о ; коэффициент использования материалов Ки.м Для каждой группы изделий определен состав базовых показателей, но не более 7 из числа приведенных с учетом наибольшего влияния на технологичность изделия; определена их весовая значимость. Так, для электронных блоков в качестве базовых показателей определены: 1. Коэффициент использования микросхем Кисп.ис =Нис/ (Нис+ Нэрэ ), где Нис число МС и микросборок в изделии; Hэрэ общее число ЭРЭ. Весовой коэффициент, fi =1,0. 2. Коэффициент автоматизации и механизации монтажа Ка.м =На.м /Нм , где На.м число монтажных соединений, осуществляемых автоматизированным или механизированным способом; Нм число монтажных соединений. Весовой коэффициент, fi= 1,0. 3. Коэффициент механизации и автоматизации подготовки ЭРЭ Кмп.эрэ =Нмп.эрэ /Нэрэ , где Нмп.эрэ число ЭРЭ, подготовка и монтаж которых осуществляется механизированным способом. Весовой коэффициент, fi =0,75. 4. Коэффициент автоматизации механизации операций контроля и настройки электрических параметров Км.к.н =Нм.к.н /Нк.н , где Нм.к.н число операций контроля и настройки, выполняемых механизированным способом; Нк.н число операций контроля и настройки. Весовой коэффициент, fi =0,5. 5. Коэффициент повторяемости ЭРЭ Кпов.эрэ =1-Нт.эрэ /Нэрэ , где Нт.эрэ число типоразмеров ЭРЭ. Весовой коэффициент, fi =0,31. 6. Коэффициент применяемости ЭРЭ Кп.эрэ =1-Нт.орэрэ /Нт.эрэ , где Нт.орэрэ число типоразмеров оригинальных ЭРЭ. Весовой коэффициент, fi =0,187. 7. Коэффициент прогрессивности формообразования детали Кф =Dпр /D, где Dпр число деталей, получаемых прогрессивным методами формообразования (штамповкой, литьем под давлением и т.д.); D число деталей. Весовой коэффициент, fi =0,11. Комплексный показатель технологичности изделия определяется по формуле n К K f ii i n f i i где Кi расчетный базовый показатель; fi коэффициент весовой значимости показателя; i порядковый номер в ранжированной последовательности; n число базовых показателей, рассчитываемы х на данном этапе разработки изделия. Так, на стадии разработки эскизного проекта не определяются Ка.м и Кф, остальные показатели определяются приблизительно, на стадии опытного образца определяются все показатели. Нормативный комплексный показатель технологичности электронных блоков для опытного образца равен 0,4-0,7; для установочной партии 0,45-0,75; серийное производство 0,5-0,8. Уровень технологичности оценивается отношением достигнутого комплексного показателя к нормативному комплексному показателю Кп. Отношение: К/Кп <1 или К/Кп =1. В качестве аналога выбирается наиболее современная конструкция, разработанная с учетом новейших достижений науки и техники, выпускаемая серийно.