Вопросы для самопроверки. 1. Кто формирует технические требования к разрабатываемой аппаратуре?

1. Кто формирует технические требования к разрабатываемой аппаратуре?

2. Какие структурные подразделения предприятия участвуют в разработке РЭС?

3. Назовите основные стадии проектирования РЭС.

4. Назовите и охарактеризуйте основные этапы НИР и ОКР.

5. Как и в какой последовательности разрабатывается рабочая документация?

Лекция №2: Понятие конструкции и конструирования РЭС. Функцио-
нально-узловой принцип конструирования, технологичность.

Конструирование является частью общего процесса проектирования или разработки изделия, содержащего такие взаимосвязанные этапы, как разработка структурной и принципиальной электрических схем, собственно конструирования, разработка технологии изготовления, внедрение изделия в производство и эксплуатацию.

Под конструированием РЭС понимают мыслительную, оформительскую и организаторскую деятельность, содержанием которой является прогнозирование некоторой будущей структуры на основании современных данных, нахождение и отражение найденных
связей между частями конструкции в конструкторской документации и внедрение ее в производство и эксплуатацию. Одним из наиболее важных результатов конструирования является получение новой информации, которую можно использовать в последующих разработках.

Конструкцией РЭС называется совокупность деталей и материалов с разными физическими свойствами, находящихся в определенной физической связи (электромагнитной, тепловой, механической), обеспечивающая выполнение заданных функции с необходимой точностью и надежностью в условиях внешних и внутренних воздействий и воспроизводимая в условиях производства.

Конструкция определяет взаимное расположение частей в пространстве, способы их соединения, а также материал, из которого они изготовлены. Конструкция РЭС характеризуется:

• иерархической структурой, под которой подразумевается последовательное объединение более простых электронных узлов в более сложные;

• доминирующей ролью электрических и электромагнитных связей;

• наличием неоднородностей в электрических соединениях, приводящих к искажению и затуханию сигналов, а также паразитных связей, порождающих помехи (наводки);

• наличием тепловых связей, что требует защиты термочувствительных элементов;

• слабой связью внутренней структуры конструкции с ее внешним оформлением.

Структурное дробление конструкции дает экономические преимущества при разработке, производстве и эксплуатации РЭС и позволяет проводить параллельное конструирование и изготовление частей, а также существенно повышает ремонтопригодность. Параллельное конструирование и производство ускоряет проектирование РЭС в десятки раз. Ремонтопригодность повышается за счет упрощения поиска неисправности и возможности ремонта агрегатным способом, т.е. путем простой замены крупных частей.

Конструирование РЭА началось раньше изобретения радиосвязи. Попов и Маркони первоночально занимались созданием рациональной конструкции детектора- беспроволочного телеграфа. Основой конструкции служил деревянный ящик, внутри которого на стенках размещались необходимые составные части. Соединения осуществлялись с помощью проволоки, клемм и винтов.

С изобретением электронной лампы возникла потребность в экранировании, поскольку повышение коэффициента усиления зачастую приводило к самовозбуждению каскадов из-за паразитных связей. Поэтому в конце 20-х годов вместо деревянного появилось металлическое основание (шасси), что существенно улучшило экранирование

В начале 30-х годов электронные усилители стали применяться в телефонии, где уже существовали проверенные многолетней практикой традиции конструирования аппаратуры в виде стойки - вертикальной рамы с расположенными друг над другом блоками. Такая конструкция была первым носителем прогрессивной идеи расчленения сложной аппаратуры на простые составные части (узлы). Сформировалась иерархическая структура конструкции, которая успешно используется до сих пор.

С начала 40-х годов радиотехническая аппаратура из помещения вышла в полевые условия. Ее устанавливают в самолеты, танки, автомашины. На плечи конструкторов и технологов легла нелегкая задача обеспечения работоспособности и высокой надежности в условиях повышенной влажности, воздействия вибраций и ударов, резких колебаний внешней температуры.

Пятидесятые годы характеризуются значительным усложнением конструкции аппаратуры, особенно импульсной и аппаратуры дальней навигации. Резко возросла трудоемкость сборочных работ. Необходимость ее снижения заставила обратиться к давно заявленной, но мало используемой до тех пор идее печатных схем. Печатная схема представляет собой пластину с печатным рисунком, электрофизические свойства которого выполняют функции монтажных соединений и пассивных элементов схемы. От этой общей идеи в то время был использован только принцип печатного монтажа на основе печатных соединительных плат (кросс-плат).

Главными трудностями в аппаратуре на электронных лампах, которую принято называть аппаратурой I поколения, были большое тепловыделение, значительный объем и масса ламповых каскадов, низкая их надежность. В этих условиях разработанные к тому времени прогрессивные идеи цифровой обработки сигналов, требовавшие многократного повторения ключевых устройств, рисковали остаться не реализованными в широкой практике. Даже унифицированные конструкции с миниатюрными лампами типа "дробь", разработанные на основе печатных плат и являвшиеся наиболее удачным вариантом конструкции I поколения, не спасали положения.

Изобретение в 1948 году У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином транзистора вывело конструирование сложной РЭА из тупика. С освоением массового выпуска транзисторов начался период аппаратуры II поколения.

Основой конструкции функционального узла повсеместно стала печатная плата. Конструкторские задачи при этом получили новую окраску, так как разработчики, стремясь удовлетворить возрастающие потребности потребителей, непрерывно наращивали сложность схем, осваивали новые частотные диапазоны, увеличивали быстродействие и т.д.
Большой проблемой стало обеспечение соединений множества плотно упакованных ИС, усложнился отвод тепла. Коммутационные возможности одно- и двухсторонних печатных плат оказались недостаточными. Потребовалось создание многослойных печатных плат с
числом слоев от четырех и более. Однако производство таких плат (особенно с числом слоев более 4-х) трудоемко, дает значительный процент брака и не всегда экономически оправдано.

Снизить коммутационную нагрузку на печатные платы, обеспечив при этом значительный выигрыш в массогабаритных характеристиках удалось в середине 70-х годов созданием микросборок (МС). Микросборка - это функциональный гибридный узел в микроэлектронном пленочном исполнении, создаваемый изготовителями РЭА,
применительно к конкретным конструкциям и электрическим схемам. Практически на каждом крупном предприятии радиоэлектронного направления была освоена и широко использовалась тонкопленочная или толстопленочная технология изготовления МС. Мера эта во многом была вынужденной из-за ограниченной номенклатуры ИС, выпускаемых централизовано.

Существенное улучшение массогабаритных характеристик РЭС при переводе на МС достигается благодаря исключению навесных резисторов (резисторы являются частью печатного рисунка) и применения навесных элементов в бескорпусном исполнении. Бескорпусные ИС, транзисторы, диоды, конденсаторы вошли в каталоги централизованно поставляемой элементной базы, причем часть полупроводниковых устройств стала поступать на сборку в виде неразрезанных полупроводниковых пластин, содержащих десятки и сотни готовых элементов.

В 80-х годах получают некоторое развитие крупноформатные гибридно-интегральные узлы (УГИК), которыми предполагалось частично заменить печатные узлы. УГИК выполняются на металлической плате относительно больших размеров (например,0х75 мм). Плата покрывается изоляционным слоем из стеклоэмали, на поверхности которого выполнен по технологии толстых пленок печатный рисунок, содержащий проводники, резисторы и некоторые конденсаторы. Большие размеры платы позволяют размещать на ней сложные схемы. Во второй половине 80-х годов электронная промышленность продолжала наращивание степени интеграции ИС. Были освоены сверхбольшие интегральные схемы с коэффициентом интеграции 3-4 и выше. Началась эпоха аппаратуры V поколения.

Конструктивно-технологические особенности РЭА включают функционально-узловой принцип конструирования, технологичность, минимальные габаритно-массовые показатели, ремонтопригодность, защиту от внешних воздействий, надежность (вероятность безотказной работы, среднее время наработки на отказ, среднее время восстановления работоспособности, долговечность и т.д.). Сущность функционально-узлового принципа конструирования РЭА заключается в объединении функционально-законченных схем в сборочные единицы и их модульной компоновке.

Базовые конструкции аппаратуры имеют несколько уровней модульности, предусматривающих объединение простых модулей в более сложные:

Модули 1 уровня - интегральные микросхемы (ИС) и дискретные
электрорадиоэлементы (ЭРЭ) (сопротивления, конденсаторы, транзисторы и
т.д.).

Модули 2 уровня - типовые элементы сборки (ТЭС) или ячейки, типо-
вые элементы замены (ТЭЗ), печатные платы (ПП), которые конструктивно
и электрически объединяют ИС и ЭРЭ.

Модули 3 уровня - блоки (панели), которые с помощью плат и карка-
сов объединяют ячейки в конструктивный узел.

Модули 4 уровня - рама (конструктивный узел - каркас рамы), кото-
рая объединяет блоки в единое целое.

Модули 5 уровня - стойка (конструктивный узел - каркас стойки),
которая может объединять несколько рам в единое целое.

Модули 6 уровня - устройства.

Несущей конструкцией называют механическую основу для закрепления частей конструкции (несущую на себе эти части). Современная система несущих конструкций РЭС унифицирована и предусматривает последовательную входимость конструкций низших уровней в конструкции высших уровней, что обеспечивается требованиями размерной совместимости.

Базовыми несущими конструкциями являются кожухи, каркасы, монтажные рамы, корпуса шкафов, стоек, панели и корпуса пультов.

Монтажной рамой называют несущую конструкцию открытого типа, содержащую элементы для электрического соединения и предназначенную для размещения нескольких элементов.

Стойка - монтажное устройство открытого типа для размещения блоков в несколько рядов, в котором в качестве несущей конструкции применена общая, вертикально расположенная рама. Стеллаж в отличие от стойки предназначен для размещения блоков закрытого типа
(приборов) в несколько рядов.

Шкаф подобен стойке, но является монтажным устройством закрытого типа и закрывается сплошной дверью.

Панель является частью пульта и служит для размещения органов управления, коммутации и индикации. Другой частью пульта
является корпус - несущая конструкция, предназначенная для размещения средств отображения информации, органов управления и необходимых блоков, микроблоков, ячеек и ЭРЭ.

Отличительным признаком перехода от одного структурного уровня к другому, более высокому, служит сборочная операция, осуществляющая соединение одних частей конструкции с другими. Вхождение низших уровней в высшие не обязательно должно осуществляется строго по порядку номеров. На практике при конструировании РЭА могут использоваться различные наборы уровней модульности. Например, в телевизоре имеются модули 1, 2, и 6 уровней.

Основными направлениями развития РЭА является микроминиатюризация, повышение степени интеграции и комплексный подход к разработке.

Микроминиатюризация - это микромодульная компоновка элементов с применением интегральной и функциональной микроэлектроники. При микромодульной компоновке элементов осуществляют микроминиатюризацию дискретных ЭРЭ и сборку их в виде плоских или пространственных (этажерочных) модулей. В основе интегральной микроэлектроники лежит использование ИС и больших интегральных схем (БИС), применение групповых методов изготовления, машинных методов проектирования ТП, изготовления и контроля изделий.

Функциональная микроэлектроника основана на непосредственном ис-
пользовании физических явлений, происходящих в твердом теле или вакуу-
ме (магнитные, плазменные и т.д.). Элементы создают, используя среды с
распределенными параметрами. Основной задачей здесь является получение
сред с заданными свойствами. Трудоемкость производства сборочных единиц РЭА может быть представлена в таком соотношении: механообработка - 8-15 %, сборка - 15-20%, электрический монтаж - 40-60 %, наладка - 20-25%. Следовательно, основными конструктивно-технологическими задачами производства РЭА являются: разработка ИС на уровне ячеек и сборочных единиц и совершенствование технологии их изготовления, повышение плотности компоновки навесных элементов на ПП и плотности печатного монтажа; совершенствование методов электрических соединений модулей 1, 2 и 3, 4 уровней, развитие автоматизированных и автоматических методов, средств наладки и регулировки аппаратуры сложных РТС, создание гибких производственных производств (ГАП). В технологии производства РЭА используются процессы, свойственные машино- и приборостроению: литье, холодная штамповка, механическая об-
работка, гальванические и лакокрасочные покрытия.

Литература по теме

1. Гелль П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для вузов.- Л.: Энергоатомиздат,984.-536 с.

Дата добавления: 2014-01-03