Общая характеристика процесса конструирования эвм основные термины и определения

• Название: Общая характеристика процесса конструирования эвм основные термины и определения
• Дата: 20.03.2022
• Размер: 1.05 Mb.
• Имя файла: Konspekt_lektsy_KTOP_novyy.doc
• Тип: Документы; #405656
• страница: 3 из 8

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 100 160 220

Н, мм 100; 144,5 100; 144,5 100; 144,5

188,9; 233,4 188,9; 233,4 188,9
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, разъёмы, ручки, ключ, контрольные гнёзда и т.д.

Всё поле ПП делится на два - основное и дополнительное. Основное поле служит для монтажа микросхем; дополнительное поле предназначено для установки остальных конструктивных элементов (рис. 4.1).

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 разъёма; la определяется посадочным местом разъёма.Если разъём ГРПМ3, la=15мм; ГРПМ1=20мм (61 контакт).

Б l_Б

В₂ В₁




l_В t_y l_В

t_x

L_Y
А l_A


L_X
Рис. 4.1. Печатная плата

Поле Б предназначено для размещения контрольных гнёзд, ручек, съёмников 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


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 съёмники.

В конструкции ячейки обязательно предусмотрен ключ для предохранения от неправильной ориентации в рабочем гнезде типовой конструкции следующего уровня.

В качестве ключа используется несимметричность разъёма; штыри-ловители, установленные на плате, несимметричность установки разъёма на плате.

Разъём необходим для осуществления разъёмных 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 рис 4.2.

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: