Название: Конструирование РЭС (Н.С. Шляпников)

Жанр: Радиотехнический

Просмотров: 1587


4.5. выбор оптимальной формы блока рэс по нескольким критериям качества

 

Как видно из рассмотренных примеров, выбор формы блока и его коэффициента планарности неоднозначно зависит от рассмотренных двух показателей качества, обеспечивающих его нормальную работу в условиях эксплуатации, и надо выбрать такое значение k2, при котором оба условия по ТЗ удовлетворялись бы. Кроме того, при конструировании блоков необходимо подбирать размеры и форму ФЯ таким образом, чтобы размеры отвечали рекомендуемому ряду, например для печатных плат, а форма обеспечивала бы полное заполнение ее площади без «пустых мест». Это требование является дополнительным условием выбора оптимальной формы и в то же время ограничением в выборе вариантов. Другим дополнительным требованием (критерием) является условие получения в конструкции блока возможно большей плотности упаковки элементов в объеме или при выбранной степени интеграции ИС — минимального коэффициента дезинтеграции объема, так как у6=Уис/qv Заметим, что чем больше формат ячейки, тем более рационально используется площадь, тем меньше коэффициент дезинтеграции площади, а следовательно и объема, тем выше плотность упаковки в блоке. Так, например, для одного и того же объема цифрового блока на печатных платах с корпусами ИС типа 401.14-1 были рассчитаны коэффициенты дезинтеграции объема по двум вариантам, когда блок состоял из 27 мелкоформатных ячеек (qv=6,3) и шести крупноформатных (qv =5,2). Изменение qv , а следовательно и плотности упаковки, составило 21\%, что весьма существенно, так как объем увеличился на одну пятую.

Таким образом, при выборе оптимальной формы надо учитывать уже четыре критерия при  конструировании  блоков  РЭС  на  печатных  платах.  При  выполнении  блоков  на

бескорпусных МСБ, вводятся еще дополнительные критерии, связанные с конструкцией и технологией изготовления рамки.

 

Возьмем для общего случая конструирования блока РЭС на печатных платах три наиболее важных критерия, а именно: тепловую напряженность, вибропрочность и плотность упаковки, и рассмотрим общий ход решения задачи.

Пусть заданы по ТЗК следующие исходные данные: сложность с РЭС при количестве

ИС NИС  , тип корпуса ИС, число задействованных выводов nвые, потребляемая мощность микросхемы Рис и допустимая тепловая напряженность блока Руd расc Tз , материал и толщина  Ann печатной  платы, диапазон  частот  вибраций  fmin....fmax и  допустимая перегрузка пTз , тип компоновочной схемы ФЯ, по которой определяется коэффициент динамичности M, диапазон температур среды tmin....tmax

Может быть предложен следующий порядок проведения расчетов:

1. По заданной сложности РЭС выбирают пять — шесть вариантов количества ячеек в нем так, чтобы в каждом варианте ячейки не имели свободных мест, т.е. NMC = nя Nя , где пя — количество ячеек, Nя —количество ИС в ячейке: Nя=nx  Пу , где пx Пу — количество ИС  в  строке  и  столбце  (целые  числа).  При  машинном  способе  расчета  может  быть выбрано свыше 10" вариантов для получения более плавных графических зависимостей.

2. Рассчитывают требуемые размеры Lx, Ly печатных плат ФЯ для каждого варианта по формулам:

 

где txty— шаги установки ИС по осям Х и Y (выбирают по табл. 4.1 в зависимости от типа корпуса и числа задействованных выводов); txty— размеры корпуса ИС по справочным данным; х1 y1 , х2 , у2 — краевые поля (выбирают в зависимости от типа корпуса, толщины печатной платы, типа соединителя и контрольной колодки в ячейке).

3. После расчета Lx и Ly подбирают ближайшие целые значения L 'x^Lx , L 'y=>Ly, а далее определяют размеры сторон корпуса блока с учетом добавок ALx и ALy на зазоры между пакетом ФЯ и стенками корпуса, толщины самих стенок и размеры для размещения межблочных соединителей, B=L 'х + ALx и A=L'y + ALy .

4. Определяют высоту ячейки hя=hс+Aпп+hм — высота соединителя (по справочным данным); Ann —толщина печатной платы; hм = 1,5 мм — размер выступающих выводов ЭРЭ при монтаже на плату.

5. Рассчитывают для каждого варианта высоту пакета ячеек hпAк = nяhя+(nя-l)hз, где hз ,

— размер воздушного зазора между ячейками (по верхней зоне установки ЭРЭ и нижней

стороне монтажа соседней платы) в пакете.

6. Находят в каждом варианте высоту корпуса блока H=hmax+AH, где АН учитывает

зазоры между пакетом и стенками корпуса и толщины самих стенок корпуса.

7. Рассчитывают объемы корпусов блока V=A*B*H  и стороны

эквивалентного куба а6 = 3NV для выбранных вариантов.

8. Определяют коэффициенты планарности k2 = а6/Н и рассчитывают для вариантов

плотности упаковки yб= NИc nэ /V где nэ — число элементов схемы в корпусе ИС (берется средневзвешенное для серии или нескольких серий).

9. Определяют для каждого варианта по формуле собственные частоты ячеек /о,

значения которых подставляют в формулы nА =(2П  f0)2AB/Mg и nV  =2П  f0  V/Mg, где

Ав<=0,03, VB <=8OO  мм/с (условия допустимых вибраций амплитуды и виброскорости для микроэлектронной аппаратуры); g — ускорение свободного падения (9,81 м/с2). Из рассчитанных значений NА и пB берется меньшее nmп •

10. Для каждого варианта рассчитываются как для эквивалентных кубов удельные мощности рассеяния в блоках Руо.расс. =0,8Р0/V,где Po=NucPuc-

11. Повариантно с учетом формы блоков находят допустимых удельные мощности

рассеяния в блоках по формуле P'уо.расс= Р'уо.расс/В'р, где В'р для известных kz определяется по (4.2).

12. Для выбранных вариантов строятся зависимости nmin=fi(k2), Р'уд.расс= f2(k2) и у6=

f3(k2) одной плоскости. Там же проводятся линии для

n=nT3 и Руд.расс=Руд.рассT3

13. По представленным графикам определяются возможные значения kг,

 

для которых выполняются условия nmin=>nT3    и Р'уд.расс<=Руд.рассT3  и обеспечивается более высокое значение плотности упаковки элементов у6 в блоке. С учетом гарантии запасов по вибропрочности и тепловой напряженности выбирают конкретное значение коэффициента планарности, т.е. оптимальную форму блока РЭС.

Пример. Пусть сложность блока РЭС составляет пИС = 480 микросхем серии К531 в корпусах типа 201.14-1 (1x = 7,5 мм, /у= 19,5 мм) с nвыв = 12, ориентация выводов — горизонтальная (tx = 17,5 мм, ty= 25 мм). В ячейках применяются печатные платы из

стеклотекстолита СФ-1-35-2,0 (kM = 0,72, Ann=2мм ) и соединитель типа ГРПМ9-30 ШУ-1 (hc   =   9,5  мм,  Ann   =   78  мм,  У1=     20     мм);     контрольная     колодка     отсутствует (x1=x2=y1=5MM). Компоновочная схема ФЯ — односторонняя с защемлением трех сторон (С=76, M=25), величина зазора hз=5 мм. Среднее число элементов в корпусе микросхем равно nэ=30. Потребляемая мощность Рис = 180 мВт. Коэффициент весовой нагрузки принят kB  =  0,8, ALx =AН =  10 мм и ALy =  20 мм. На блок действуют вибрации в диапазоне частот 50 Гц... 1 кГц. Допустимая перегрузка nTз <=2. Диапазон температур -

10...+50 °С, допустимая тепловая напряженность

Руд.расс.ТЗ = 13 ВТ/ДМ3.

Выбираем следующие варианты компоновки блока:

 

Таблица 4.2

 

 

Параметр ФЯ (блока)яя

Вариант

I

II

III

IV

V

VI

1

2

3

4

5

6

7

Размер платы L 'xэ мм

105

140

140

175

175

210

Размер платы L 'у, мм

120

145

170

170

220

270

Высота пакета НпАК, мм

355

211

175

139

103

67

Размеры блока:

 

длина А, мм;

115

150

150

185

185

220

ширина В, мм;

140

165

190

190

240

290

высота Н, мм

365

221

185

149

113

77

Объем блока V, дм3

5,876

5,47

5,27

5,23

5,017

4,91

Сторона эквивалентного куба a6 мм

180,4

176,2

174

173,6

171,2

170

Окончание таблицы 4.2

 

1

2

3

4

5

6

7

Частота собственных колебаний/о, Гц

608

321

303

270

181

120

Допустимые перегрузке:

 

по амплитуде NА

17,8

4,97

4,42

3,52

1,58

0,7

по виброскорости пv

12,4

6,58

6,2

5,53

3,7

2,46

Минимальная Птт

12,4

4,97

4,42

3,52

1,58

0,7

Коэффициент планарности k2

0,49

0,8

0,94

1,16

1,51

2,2

Плотность упаковки у, эл/см3

2,45

2,63

2,73

2,75

2,87

2,93

Выигрыш в удельной мощности рассеяния В 'р

1,11

6

1,91

2

1,00

1

1,00

5

1,04

5

1,18

4

Удельная мощность рассеяния для куба Руд.расс., Вт/дм3

11,7

6

12,6

4

13,1

1

13,2

1

13,7

8

14,0

7

Удельная мощность рассеяния для блока Р 'уд.расс., Вт/дм3

10,5

4

12,4

8

13,1

13,1

5

13,1

8

11,8

8

 

 

Согласно   принятому   выше   порядку   расчета   и   приведенным   в   нем   формулам рассчитаем основные конструктивные параметры различных вариантов и сведем их в таблицу (табл. 4.2). По данным для шести вариантов построим зависимости возможных перегрузок, удельной мощности рассеяния в блоке, плотности упаковки, а также допустимых значений перегрузок и удельной мощности рассеяния от величины коэффициента планарности в этих вариантах (рис. 4.22). По оси абсцисс для каждого варианта указано число ФЯ в пакете. Как видно из графиков, запретными областями, отмеченными штриховкой на границах, в которых не обеспечиваются условия вибропрочности и тепловой напряженности, хотя и достигается в то же время высокая плотность упаковки, являются для Руд расе диапазон 0,875<=k2<=1,6 и для птin-k2=>l,4. Таким образом видно, что обеспечение обоих условий по ТЗ может быть выполнено лишь при k2< 0,875. Ближайшим вариантом к этому значению является II вариант, в котором выполняются также требования полного заполнения площади и достаточной плотности упаковки. При этом размеры печатной платы подбираются под типовые по ГОСТ 10317

— 79", а именно: Lx= 140 мм, L'y = 150 мм, для которых должна быть проведена корректировка птin , Р 'уд.расс и у6 • Заметим в заключение, что максимум тепловой напряженности в блоке приходится не на форму куба (k2  = 1), а на более плоскую (k2  =

1,5), так как объем блока от варианта 1 к варианту VI уменьшается за счет уменьшения общей площади краевых полей печатных плат.

 

Рис. 4.22. К определению оптимальной формы блока по нескольким критерием