Разработка конструкции устройства
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…………………………………………………………
1 Разработка конструкции устройства………………………………………..3
1.1 Выбор принципа конструирования……………………………………3
1.2 Выбор конструкционной системы……………………………………..3
1.3 Выбор серии логических ИМС………………………………………...4
1.4 Расчет теплового режима блока ………………………………………6
1.5 Расчет параметров
электрических соединений………………
1.6 Расчет надежности…………………………………
2 Разработка технологического процесса изготовления устройства………18
2.1 Выбор метода изготовления печатной платы………………………..18
2.2 Технологический процесс изготовления печатной платы комбинированным позитивным методом………………………………..18
2.3 Выбор варианта
ТП изготовления блока………………………
2.4 Анализ технологической конструкции изделия……………………..28
2.5 Расчет нормы времени…………………………
2.6 Основные требования к ТП…………………………………………...31
Условные сокращения……………………………………………………
Заключение……………………………………………………
Список литературы …………………………………………………………..35
Приложение……………………………………………………
Введение
Конструкция современной ЭВМ – комплекс различных по природе деталей, определенным образом объединенных электрически и механически друг с другом и призванных выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации. От правильного выбора этих деталей, материалов, из которых они изготовлены, оптимального их размера, закрепления и объединения зависят важнейшие характеристики машины:
- быстродействие;
- объем
- масса;
- потребляемая мощность.
Разработчик ЭВМ для объединения этих требований, предъявляемых к машине, основывается, главным образом, на разработанную ранее принципиальную электрическую схему устройства, вид объекта установки и общие сведения об уровне производства, где планируется выпуск разрабатываемой ЭВМ. От вида объекта установки машины, зависит, какие из факторов, характеризующих условия эксплуатации, будут в большей степени влиять на ее работоспособность. Уровень производства имеет существенное значение при определении стоимости разрабатываемой ЭВМ, удобства наладки и ремонта, трудоемкости, технологичности и т.д.
1 Разработка конструкции устройства
1.1 Выбор принципа конструирования.
Выбор принципа конструирования зависит от назначения и сложности принципиальной схемы устройства.
Сложность принципиальной схемы разрабатываемого устройства не позволяет расположить ее на одной печатной плате, так как в этом случае превышается допустимое значение плотности компоновки элементов. Поэтому применение моносхемного принципа конструирования исключается. С другой стороны разрабатывается устройство не настолько сложное, чтобы целесообразно было применять функционально-узловой или каскадно-узловой принцип. Следовательно выберем схемно-узловой принцип конструирования.
Принципиальную электрическую схему разрабатываемого устройства разобьем на следующие части:
- Устройство ввода-вывода информации.
- Устройство преобразования введенного кода.
В данном курсовом проекте разрабатывается конструкция и технологический процесс изготовления печатной платы.
1.2 Выбор конструкционной системы.
Конструкционная система - иерархическая совокупность базовых конструкций, организованных в определенной соподчиненности на основе размерной совместимости с учетом функциональных, механических и тепловых факторов, а также требований технической эстетики и эргономики, предназначенная для построения вариантных компоновок функциональных изделий и ЭВМ.
Так как проектируемое устройство имеет не очень большую электрическую схему, то использование конструкционных систем ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ нерационально. Поэтому выбираем конструкционную систему микроЭВМ. Данная система состоит из 5 уровней:
- интегральная схема;
- плата;
- корпус частичный,
- корпус комплектный,
- ЭВМ.
В соответствии со стандартом 297 МЭК выделяют следующие размеры печатных плат для СМ ЭВМ:
- E1 = 100 × 180 мм;
- E2 = 233,35 × 220 мм;
- E3 = 233,35 × 160 мм;
- E4 = 100 × 220 мм.
Исходя из количества корпусов ИМС в разрабатываемом узле, выберем размер печатной платы E1 = 100 × 180 мм.
1.3 Выбор серии логических ИМС.
Один из важнейших этапов разработки ЭВМ - выбор серии ИМС, так как от правильного выбора зависит, будет ли в конечном итоге разрабатываемое устройство отвечать всем требованиям, предъявляемым к нему в техническом задании. Серии ИМС как объект выбора характеризуются совокупностью различных параметров, имеющих различную размерность (тока, напряжения, времени, емкости, сопротивления, мощности), а так же безразмерными параметрами. Это определяет применение, при выборе необходимой серии ИМС, методики, основанной на использовании весовых коэффициентов.
Однако при разработке устройства необходимо учитывать требования, накладываемые заказчиком на выбор ИМС. ИМС в данном случае должны быть выбраны из следующих серий К176, К561, КР1561, КР1564. Это обосновывается тем, что в предыдущем курсовом проекте по заданию необходимо было разработать принципиальную электрическую схему на основе ИМС КМОП-логики.
Параметры, по которым оценивается пригодность серии ИМС, а так же соответствующие им значения весовых коэффициентов приведены в таблице 1.3.1.
Таблица 1.3.1
Серия |
Рпот, мВт |
tзад, нс |
fраб, МГц |
Коэффициент разветвления по выходу |
К176 |
30 |
200 |
5 |
50 |
К561 |
50 |
100 |
5 |
50 |
КР1561 |
100 |
30 |
10 |
100 |
КР1564 |
100 |
10 |
50 |
50 |
bj |
0,5 |
0,05 |
0,15 |
0,3 |
Данные серий сведем в матрицу параметров:
Параметры приводятся к виду, при котором большему числовому значению параметра соответствует лучшее качество ИМС. Параметры, не удовлетворяющие этому условию, пересчитываются по формуле: уij=1/хij. В нашем случае необходимо пересчитать tзад и Рпот. В итоге получим матрицу приведенных параметров:
Нормирование параметров матрицы Y производят по формуле:
В результате получим матрицу нормированных параметров:
Для обобщенного анализа систем элементов используем оценочную функцию:
Для К176: Q = 0,803
К561: Q = 0,33
КР1561: Q = 0,645
КР1564: Q = 0,64
Минимальная оценочная функция у серии К561. Выберем серию К561.
1.4. Расчет теплового режима блока.
Важнейшим фактором, определяющим эксплутационную надежность радиоэлектронной аппаратуры, ЭВМ является тепловой режим.
Для обеспечения нормального теплового режима определяют среднюю плотность теплового потока от корпуса блока:
где
Pt = Рпотр + Рвх + Рвых - суммарная мощность тепловыделения в блоке;
Рпотр = 6,3 мВт - потребляемая блоком мощность (взята из прошлой курсовой);
Рвх = 326 мВт - мощность входных сигналов;
Рвых = 400 мВт мощность выходных сигналов ;
Следовательно:
Pt = 6,3 + 326 + 400 = 732,3 мВт.
Sk = 2* [L1 * L2 + (L1 + L2)* L3 * K3] – условная площадь поверхности теплообмена корпуса блока;
L1, L2, L3 – примерные габариты корпуса блока;
Примем L1 = 260 мм, L2 = 200 мм, L3 = 100 мм;
Кз = 0,4…0,8 (для ЭВМ) – коэффициент заполнения объема блока.
Пусть Кз = 0,4, тогда
Sk = 2* [260*10-3 * 200*10-3 + (260+200)*10-3 *100*10-3 * 0,4] = 14,08*10-2 м2
g = 732,3*10-3 / 14,08*10-2 = 5,2 Вт/м2
Определим допустимый перегрев наименее теплостойкого элемента
где
= 362 К – максимально допустимая температура нагрева (из анализа элементной базы);
= 323 К - максимальная температура окружающей среды.
Следовательно
По диаграмме представленной на рисунке 1.4.1 выбираем систему охлаждения.
Рисунок 1.4.1 – диаграмма способов охлаждения
На рисунке приведены графики, характеризующие области целесообразного применения различных способов охлаждения:
- естественное воздушное (области 1 и 2);
- принудительное воздушное (области 2, 3 и 4);
- естественное жидкостное (область 4);
- принудительное жидкостное (области 5, 6 и 7);
- естественное испарительное (области 6, 7 и 8);
- принудительное испарительное (области 8 и 9)
Для данного блока достаточно естественного воздушного охлаждения.
1.5 Расчет параметров электрических соединений
Расчет печатного монтажа состоит из следующих этапов:
Печатная плата выполняется комбинированным позитивным методом, т.к. он обеспечивает максимальную надежность соединения печатных
проводников с основанием платы. Установка ИМС на печатную плату производится вручную, поэтому устанавливать большие размеры допусков нет необходимости и возможно изготовление печатной платы по третьему классу точности (ГОСТ 4.010.022 - 85).
Определение минимальной ширины печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления.
где
Imax = 0,4 А – максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках;
Допустимая плотность тока и толщина проводника выбирается из таблицы 1.5.1 в зависимости от метода изготовления.
Таблица 1.5.1 Допустимая плотность тока в зависимости от метода изготовления
Метод изготовления |
Толщина фольги t, мкм |
Допустимая плотность тока yдоп, А / мм2 |
Удельное сопротивление p, Ом*мм2/ м |
Химический: внутренние слои МПП наружные слои ОПП, ДПП |
20, 35, 50
20, 35, 50 |
15 20 |
0.050 |
Комбинированный позитивный |
20 35 50 |
75 48 38 |
0.0175 |
Электрохимический |
- |
25 |
0.050 |
удоп = 48 А/мм2 – допустимая плотность тока;
t = 35*10-3 мм – толщина проводника.
bmin = 0,4/48*35*10-3 = 0,238 мм
Определение минимальной ширины проводника
Определение минимальной ширины проводника, исходя из допустимого падения напряжений на нём:
где
р = 0,0175 Ом мм2/м – удельное объемное сопротивление;
l = 0,5 м – максимальная длина проводника;
Uдоп = 0,5В - допустимое падение напряжения (из анализа электрической схемы, не должно превышать 10% от питающего напряжения для микросхем и не более запаса помехоустойчивости микросхем).
Итак, принимаем bmin = 0,24 мм.
Определение минимального диаметра монтажных отверстий.
где
dэ =0,5 – максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ;
Δdн.о = 0,1 – нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия (по таблице 1.5.2);
r = 0,1 - разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ (выбирается в пределах 0,1…0,4)
Для металлизированных отверстий:
где
0,33 (для ПП 3-го класса точности) - отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы;
HCi = 1,5 - номинальная толщина i-ro слоя;
Hnpt = 0 - номинальная толщина материала i-ой прокладки из стеклоткани (т.к. 1 слой, то прокладок вообще нет);
n = 1 – число слоев;
hn = 0,035 - толщина гальванически осажденных металлов.
Исходя из этого выбираем диаметр отверстия d = 0,7 мм из ряда рекомендуемых ГОСТ 10317-79.
Таблица 1.5.2 Классы точности ПП
Параметры |
Класс точности ПП | ||||
|
1 |
22 |
3 3 |
4 4 | ||
Минимальное значение номинальной ширины проводника b, мм |
00,60 |
00,45 |
00,25 |
00,15 | |
Номинальное расстояние между проводниками s, мм |
00,60 |
00,45 |
00,25 |
00,15 | |
Отношение диаметра отверстия к толщине платы g |
>>=0,50 |
>>=0,50 |
>>=0,33 |
>>=0,33 | |
Допуск на отверстие Dd, мм, без металлизации, d<=1 мм |
±± 0,10 |
± ±0,10 |
±± 0,05 |
± ±0,05 | |
То же, d >1 мм |
±± 0,15 |
± ±0,15 |
±± 0,10 |
± ±0,10 | |
Допуск на отверстие Dd, мм, с металлизацией, d<=1 мм |
+ +0,10 -- 0,15 |
++ 0,10 - -0,15 |
++ 0,05 -- 0,10 |
+ +0,05 - -0,10 | |
То же, d >1 мм |
++ 0,15 - -0,20 |
+ +0,15 -- 0,20 |
++ 0,10 - -0,15 |
++ 0,10 -- 0,15 | |
Допуск на ширину проводника Db, мм, без покрытия |
±± 0,15 |
±± 0,10 |
++ 0,03 -- 0,05 |
± ±0,03 | |
То же с покрытием |
+ +0,25 - 0,20 |
+ +0,15 - 0,10 |
++ 0,10 - 0,08 |
± ±0,05 | |
Допуск на расположение отверстия при размере платы до 180 мм dd |
00,20 |
00,15 |
00,08 |
00,05 | |
Допуск на расположение контактных площадок dp, мм, на ОПП и ДПП при размере платы до 180 мм |
00,35 |
00,25 |
00,20 |
00,15 | |
Допуск на расположение контактных площадок dp, мм, на МПП при размере платы до 180 мм |
00,40 |
00,35 |
00,30 |
00,25 | |
Расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки bm |
00,06 |
00,045 |
00,035 |
00,025 | |
Расчет диаметра контактных площадок:
Минимальный диаметр контактных площадок печатных плат, изготовленных комбинированным позитивным методом:
где
hф = 0,035 мм – толщина фольги;
- минимальный эффективный диаметр площадки, где:
bm = 0,035 мм (для ПП 3-го класса точности – из таблицы 1.5.2) – расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки;
δd = 0,08 мм; δp = 0,20 мм - допуски на расположение отверстий и контактных площадок (из табл. 1.5.2);
- - максимальный диаметр просверленного отверстия;
= 0,05 мм - допуск на отверстие (из табл.1.5.2);
d = 0,7 мм - номинальное значение диаметра.
Итак:
dmax = 0,7 + 0,05 + 0,1 = 0,85 мм
D1min = 2*(0,035 + 0,85/2 + 0,08 + 0,20) = 1,48 мм
Dmin = 1,48 + 1,5*0,035 + 0,03 = 1,56 мм
Dmax = Dmin + (0,02…0,06) = 1,56 + 0,02 = 1,58 мм
Максимальный диаметр контактной площадки 1,6 мм.
Определение ширины проводников.
Минимальная ширина проводников для ПП, изготовленных комбинированным позитивным методом:
где
b1min = 0,18 мм - (для ПП 3-го класса точности) - минимальная эффективная ширина проводника;
hф = 0,035 мм – толщина фольги.
Тогда:
bmin = 0,18 + 1,5*0,035 + 0,03 = 0,263 мм
bmax = bmin + (0,02…0,06) = 0,263 + 0,02 = 0,265 мм
Максимальная ширина проводника 0,3 мм.
Определение минимального расстояния между элементами проводящего рисунка.
- минимальное расстояние между
проводником и контактной
L0 = 2,5 мм - расстояние между центрами рассматриваемых элементов;
δ1 = 0,25 мм - допуск на расположение проводников.
S1min = 2,5 – [(1,6/2 + 0,20) + (0,3/2 + 0,25)] = 1,1 мм
- минимальное расстояние между 2-мя контактными площадками,
S2min = 2,5 – (1,6 + 2*0,20) = 0,5 мм
- минимальное расстояние между 2-мя проводниками,
S3min = 2,5 – (1,6 + 2*0,25) = 0,4 мм
1.6 Расчет надежности
Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов и условиям эксплуатации. Для расчета надежности необходимо иметь логическую модель безотказной работы системы. При ее составлении предполагается, что отказы элементов независимы, а элементы и система могут находиться в одном из 2-х состояний: работоспособном и неработоспособном. Элемент, при отказе которого отказывает вся система, считается последовательно соединенным; а элемент, отказ которого не приводит к отказу системы, считается включенным последовательно на логической схеме надежности.
Расчет надежности можно производить по внезапным и по постепенным отказам. При конструировании данного устройства расчет будем проводить по внезапным отказам.
Определим интенсивность потока отказов элементов с учетом условий эксплуатации изделия:
где
- номинальная интенсивность потока отказов;
k1, k2 - поправочные коэффициенты, зависящие от воздействия механических факторов;
k3 - поправочный коэффициент, зависящий от воздействия влажности и температуры;
k4 - поправочный коэффициент, зависящий от давления воздуха;
- поправочный коэффициент, зависящий от температуры поверхности элемента и коэффициента загрузки
Так как расчет надежности блока ведется на этапе технического проектирования, то значения всех поправочных коэффициентов еще не определены. Поэтому воспользуемся полученными из опыта эксплуатации значениями неких обобщенных поправочных коэффициентов, представляющих собой комплексный поправочный коэффициент К, зависящий от объекта установки ЭВМ и учитывающий все условия эксплуатации. Для наземной аппаратуры К=20 (табл. 1.6.2).
Для последовательного соединения элементов на структурной схеме надежности вероятность безотказной работы составит:
где
n – количество элементов.
Интенсивность отказов системы составит:
Среднее время наработки на отказ:
При смешанном соединении элементов в структурной схеме надежности определение вероятности безотказной работы для последовательно соединенных элементов (или блоков) производится во приведенной выше формуле, а для параллельно соединенных - по выражению:
Т.к. разрабатываемый узел не имеет резервных элементов и при отказе любого элемента узла производится полная замена платы (что будет обходиться дешевле, чем поиск неисправности и замена отказавшего элемента), то получаем нерезервированную невосстанавливаемую систему. Т.к. все элементы платы являются практически необходимыми для функционирования устройства, то получим последовательную структурную схему надежности.
Исходя из этого получим:
(для элементов соединенных
где
n – количество отказов;
λiн - интенсивность отказа i-ro элемента при нормальных условиях эксплуатации (некоторые значения взяты из табл. 1.6.1);
λИМС = 20 * 0,013 * 10-6 * 27 = 7,02 * 10-6 час-1
λПП = 20 * 0,7 * 10-6 * 1 = 14 * 10-6 час-1
λРазъема1 = 20 * 0,062 * 10-6 * 64 * 1 = 79,36 * 10-6 час-1
λРазъема2 = 20 * 0,062 * 10-6 * 3 * 1 = 3,72 * 10-6 час-1
λпаян.соед. = 20 * 0,01 * 10-6 * 353 = 70,6 * 10-6 час-1
λперех.отв. = 20 * 0,01 * 10-6 * 281 = 56,2 * 10-6 час-1
Среднее время наработки на отказ: Т = 1/l, Т=1/ 2,31*10-4= 4273 часов Рассчитаем вероятность безотказной работы устройства в течении заданного времени (1000 часов) :
Полученное значение приемлемо для безотказной работы устройства в течение заданного времени.
Таблица 1.6.1 Интенсивность отказов некоторых электро- и радиоэлементов
Наименование элемента |
Интенсивность потока отказов, 10-6 , 1/ час |
Микросхемы со средней степенью интеграции Большие интегральные схемы Конденсаторы керамические Соединители Гнезда Клеммы, зажимы Плата печатной схемы Пайка печатного монтажа |
0,013
0,01 0,15 0,062 * n 0,01 0,0005 0,7 0,01 |
Таблица 1.6.2 Значения интегрального поправочного коэффициента для аппаратуры различного назначения
Объект установки аппаратуры |
Значения поправочного коэффициента |
Лабораторные условия Наземная аппаратура Корабль Автомобиль Поезд Аппаратура для высокогорной местности Самолет Ранние образцы ракет Современные образцы ракет |
1,0 20 40 50 60 68 100 400 700 |
2 Разработка технологического процесса изготовления устройства
2.1 Выбор метода изготовления печатной платы
Разработанное устройство будет выполнено на двусторонней печатной плате (ДПП). В соответствии с ГОСТ 23751-86 конструирование ДПП следует осуществлять с учетом следующих методов изготовления : комбинированного, позитивного и электрохимического (полу аддитивного).
Электрохимический метод обеспечивает высокую точность и плотность токопроводящего рисунка. Однако основным требованием к разрабатываемому устройству является высокая надежность, которую обеспечивает комбинированный позитивный метод, благодаря хорошему сцеплению проводников с ПП при использовании этого метода. Кроме того, этот метод нашел наибольшее распространение на предприятии заказчика.
2.2 Технологический процесс изготовления печатной платы комбинированным позитивным методом
Технологический процесс изготовления ПП комбинированным позитивным методом состоит из ряда взаимосвязанных между собой этапов.
Входной контроль фольгированного диэлектрика (СФ-2-35) заключается в проверке размеров листа, состояния поверхности, прочность сцепления фольги в исходном состоянии и при воздействии расплавленного припоя, гальванических растворов и других факторов (ГОСТ 10316-78). При визуальном осмотре листов устанавливается наличие проколов, пузырей и других повреждений. Коробление и изгиб диэлектрика проверяются путем погружения материала в расплавленный припой. При этом выявляются трещины на поверхности и дефекты сцепления между слоями.
Прочность сцепления фольги с диэлектриком характеризуется усилием, необходимым для отрыва плоскости фольги от основания.
Штампуемость материала определяется его способностью подвергаться обработке без образования сколов на грани отверстий и трещин в перемычках между отверстиями.
Способность материала к сверлению определяется пробной обработкой. Изготовление шлифа просверленного отверстия позволяет установить наличие прожигания при сверлении и оплавления поверхности отверстия или наличие шероховатости из торчащих волокон, затрудняющих проведение металлизации отверстий. Внешний вид диэлектрика должен соответствовать ГОСТ 23752-83.
Получение заготовок. Заготовку отрезают с припуском по контуру. Ширина технологического поля составляет 10 мм. Резка листа из фольгированного диэлектрика может производиться дисковой фрезой с охлаждением сжатым воздухом, а также роликовыми или гильотинными ножницами. Применение последних целесообразно, так как при этом повышается производительность, исключается засорение помещений пылью, сокращаются отходы.
Вскрытие базовых отверстий. Для установки заготовки при выполнении некоторых операций ТП предусмотрены фиксирующие и технологические отверстия. Их изготовляют пробивкой или сверлением с помощью специальных устройств.
Сверление отверстий подлежащих металлизации выполняют в кондукторе спиральным сверлом из твердого сплава с углом при вершине сверла 130 гр. Без применения охлаждающей жидкости. Монтажные отверстия сверлят на станках с ЧПУ типа SHMOP, ALPHA-Z, которые имеют массивное гранитное основание для уменьшения промышленных вибраций. Станки должны обеспечивать частоту вращения шпинделя не менее 1000 об/мин., биение сверла не более 0,02 мм, бесступенчатое регулирование скорости, дискретность координатных перемещений. Стенки отверстий должны быть гладкими, без заусениц, расслаивания, ожогов, вмятин диэлектрика. Они должны быть перпендикулярными наружной поверхности платы и свободными от следов инструмента, смазочных веществ и стружки.
