Техническое обслуживание средств вычислительной техники

Современные модели ПЭВМ обычно реализуются в виде открытой, модульной системы. Поэтому «открытые» ПЭВМ получили наибольшее распространение. Дополнительные функции в вычислительной системе (расширение системы) реализуются подключением к системной шине добавочных электронных модулей. В этом случае пользователь может приобретать и устанавливать в своей ПЭВМ различные дополнительные сменные модули, выполненные обычно в виде съемных плат, позволяющие расширять возможности ПЭВМ за счет применения новых периферийных устройств, подключения ПЭВМ к другим ЭВМ или сетям.

Для механического и электрического соединения электронных модулей в системном блоке обычно используется объединительная коммутационная плата (панель), часто называемая «материнской». Именно этот сборочный узел содержит ответные части разъемных соединителей электронных модулей, образующих системную шину. Каждый «дочерний» модуль вставляется в разъемный соединитель объединительной платы и обеспечивает выполнение одной или большего числа специфичных электронных функций, необходимых для функционирования всей ПЭВМ.

Конструкции и компоновка системных блоков должны обеспечивать высокую плотность монтажа, короткие связи между элементами и сборочными единицами, минимальное количество разъемных соединителей.

Для защиты от внешних воздействий и электромагнитных помех основные компоненты системного блока помещают в корпус. Корпуса системных блоков, как правило, содержат минимальное количество деталей, доступны для сборки и разборки простейшими инструментами и приспособлениями. Базовой несущей конструкцией обычно является металлическое основание (поддон), на котором размещаются блок электронных модулей, блок питания, кронштейны для закрепления дисководов, громкоговорителя и некоторые другие конструктивные элементы. В состав корпуса, кроме основания, входят также металлический кожух, передняя (лицевая) и задняя панели (стенки). Кожух чаще всего надвигается по основанию в направлении установленной передней панели и крепится к основанию винтовыми соединениями. Передняя и задняя панели корпуса могут быть выполнены совместно с основанием или отдельно. В последнем случае для их изготовления широко используются пластмассы. Пластмассы могут применяться также и для изготовления корпусов в целом. Пластмассовые корпуса с целью уменьшения излучения электромагнитных помех в радиодиапазоне покрываются изнутри специальной металлической проводящей краской.

В конструктиве системного блока обычно возможны установка и подключение накопителей на гибких или жестких магнитных дисках.

В правом заднем углу системного блока отводится свободная зона для расположения блока питания. Блоки питания снабжаются замкнутым металлическим кожухом, электрически заземленным на основание корпуса системного блока и являющимся экраном для уменьшения электромагнитного излучения силовых устройств.

При высокой плотности размещения элементов в ограниченных габаритах системного блока выделяется значительное количество теплоты, которая может быть отведена лишь с помощью принудительных мер охлаждения конструкций. Обычно используется принудительная вентиляция, причем вентилятор встраивается в блок питания. Основные задачи конструирования ПЭВМ -- повышение их производительности (тесно связанной с быстродействием), эксплуатационной надежности, уменьшение стоимости, обеспечение удобства обслуживания, изменения конфигурации и наращивания периферийных устройств.

Тема 1.6 Конструирование печатных плат

Широкое распространение в конструкциях ЭВМ получили печатные платы, которые представляют собой диэлектрическое основание, имеющее необходимые отверстия и проводящий рисунок плоских проводников и контактных площадок, обеспечивающий соединение ИМС и ЭРЭ в соответствии с принципиальной электрической схемой. Проводящий рисунок может быть выполнен как на поверхности, так и в объеме основания.

По конструктивному исполнению печатные платы подразделяют на односторонние (ОПЛ), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП). В зависимости от жесткости материала основания, определяемой его характеристиками и толщиной основания, различают гибкие (ГПП) (толщина до 0,5 мм) и жесткие (толщина свыше 0,5 мм) печатные платы. При рассмотрении конструкций ОПП и ДПП, полученных нанесением проводящего рисунка с одной или двух сторон, следует обратить внимание на то, что необходимые электрические соединения в них выполняются с помощью либо металлизированных отверстий, либо контактных площадок.

Печатные платы без металлизации отверстий просты по конструкции и дешевы в изготовлении, однако платы с металлизированными отверстиями более надежны в эксплуатации. Двусторонние печатные платы на металлическом основании с нанесенным на него электроизоляционным покрытием применяются, когда нужен хороший теплоотвод, т. е. при использовании навесных ЭРЭ большой мощности.

Двусторонние печатные платы широко применялись в конструкциях ЭВМ третьего поколения.

Многослойные печатные платы состоят из спрессованных слоев, изолированных друг от друга изоляционной основой, например стеклотканью, пропитанной эпоксидной смолой. Они делятся на две группы: с межслойными соединениями, когда соединение слоев осуществляется объемными деталями (штырями, заклепками, перемычками и др.) или с помощью химико-гальванической металлизации; без межслойных соединений. На плате могут быть сквозные и переходные отверстия, обеспечивающие электрическую связь между слоями.

Многослойные печатные платы без межслойных соединений имеют две конструктивно-технологические разновидности: с выступающими выводами и открытыми контактными площадками.

Многослойные печатные платы с выступающими выводами содержат до 10 слоев изоляционного материала с проводящим рисунком, которые выходят в сквозные перфорированные окна платы. Выступающие в окна полоски фольги отгибаются и закрепляются на внешней стороне платы с помощью колодок, устанавливаемых на клей. Платы данного типа применяются для монтажа ИМС с планарными выводами.

Многослойные печатные платы с открытыми контактными площадками представляют собой соединенные склеивающими прокладками слои, содержащие проводящий рисунок, выполненный на диэлектрическом основании. Плата имеет глухие отверстия (окна), оканчивающиеся контактными площадками, к которым припаиваются ИМС с планарными выводами. Число слоев, допустимое в платах данного типа, не более шести.

Многослойные печатные платы с межслойными соединениями объемными деталями содержат от четырех до шести слоев проводящего рисунка, соединенных с помощью штифтов или заклепок через контактные площадки. Объемные детали перед установкой в отверстие покрываются легкоплавким сплавом, после чего вставляются в отверстие и нагреваются. Таким путем обеспечивается контакт между слоями МПП.

Все рассмотренные выше виды печатных плат используются в промышленности крайне редко.

Существует четыре вида МПП с металлизацией межслойных соединений: с послойным наращиванием рисунка; попарного прессования; со сквозными металлизированными отверстиями; с металлизированными сквозными отверстиями и внутрисхемными переходами.

Многослойные печатные платы с послойным наращиванием содержат до пяти слоев с проводящим рисунком. Межслойные соединения осуществляются с помощью металлизированных переходов, соединяющих два или более слоев. Платы используются при монтаже ИМС с планарными выводами и непригодны для размещения элементов со штыревыми выводами.

Многослойные печатные платы с попарным соединением слоев имеют четыре слоя с проводящим рисунком и состоят из двух двусторонних печатных плат, которые соединены диэлектрической склеивающей прокладкой. Межслойные соединения выполнены металлизированными отверстиями, соединяющими попарно слои МПП. Платы находят применение при монтаже как интегральных схем с планарными выводами, так и навесных элементов со штыревыми выводами. Платы данного вида достаточно технологичны, однако содержат малое число слоев, что не позволяет достигать высокой плотности монтажа.

Многослойные печатные платы со сквозными металлизированными отверстиями представляют собой чередование проводящих слоев и склеивающих диэлектрических прокладок. Платы не имеют жестких ограничений по числу слоев и применяются для установки элементов как с планарными, так и со штыревыми выводами. Они обладают высокими показателями плотности монтажа, качества межслойных соединений. Платы данного вида благодаря хорошей технологичности в настоящее время наиболее широко распространены при производстве ЭВМ.

Выбор варианта конструкции МПП определяется следующими факторами: универсальностью применения той или иной элементной базы; реализуемой плотностью монтажа; максимально возможным числом слоев; степенью надежности как межслойных соединений, так и самих плат; ремонтоспособностью и возможностью внесения изменений в схему; технологичностью, существующей базой технологического оборудования и себестоимостью производства; возможностью механизации и автоматизации производства плат и автоматизации монтажно-сборочных операций.

Конструкционные материалы, применяемые для изготовления печатных плат.

В качестве конструкционных материалов печатных плат обычно используются фольгированные и нефольгированные слоистые диэлектрики (пластики) различного типа и толщины.

Фольгированные диэлектрики представляют собой электроизоляционные основания, плакированные обычно электролитической медной фольгой с оксидированным гальваностойким слоем, прилегающим к электроизоляционному основанию. В зависимости от назначения фольгированные диэлектрики могут быть односторонними и двусторонними и иметь толщину от 0,06 до 3,0 мм.

Большинство печатных плат для технических средств ЭВМ в настоящее время изготавливают субстрактивным методом (травление фольгированного диэлектрика.

Диэлектрическое основание платы представляет собой обычно бумажную или текстильную основу, пропитанную фенольной либо эпоксидной смолой.

В настоящее время намечается тенденция к применению эпоксидной невоспламеняющейся бумаги, которая обладает лучшей стабильностью размеров, более приспособлена к автоматизации процесса монтажа элементов.

В стеклотекстолитах в качестве основы используют стеклоткань, пропитанную эпоксидной смолой. Наиболее широкое распространение материалы этого типа получили для производства двусторонних и многослойных печатных плат.

К числу важнейших характеристик материалов печатных плат обычно относят: пределы прочности при растяжении и изгибе, максимальное удлинение, прочность сцепления фольги, максимальное удлинение при механических нагрузках или воздействии температуры, стойкость к перегибам, максимальную рабочую температуру, допустимое кратковременное воздействие температуры, влагопоглощение, сопротивление изоляции, электрическую прочность, диэлектрическую проницаемость и потери и др. При анализе характеристик диэлектрических материалов необходимо учитывать также, что ряд прочностных характеристик, коэффициенты термического расширения материалов зависят от геометрических направлений.

Из других материалов, используемых при изготовлении печатных плат, наиболее широко применяют никель и серебро в качестве металлического резиста, для обеспечения пайки, сварки.

Широкое применение в современных конструкциях технических средств ЭВМ находят МПП на основе керамики. Применение керамических подложек для изготовления печатных плат обусловлено прежде всего использованием высокотемпературных способов создания проводящего рисунка с минимальной шириной линий.

В керамических основаниях в качестве исходных материалов широко применяются оксиды алюминия и бериллия, а также нитрид алюминия и карбид кремния.

Основным недостатком керамических плат является ограниченность их размеров (обычно не более 150x150 мм), что обусловлено в основном хрупкостью керамики, а также сложностью достижения необходимого качества.

Формирование проводящего рисунка (проводников) осуществляется трафаретной печатью. В качестве материалов проводников в керамических платах подложечного вида используются пасты, состоящие из металлических порошков, органического связующего вещества и стекла. Изоляционные пасты изготавливаются на основе кристаллизующихся стекол, стеклокристаллических цементов, стеклокерамики.

Фотолитография.

Литография - это процесс формирования в актиночувствительном слое, нанесенном на поверхность подложек, рельефного рисунка, повторяющего топологию полупроводниковых приборов или ИМС, и последующего переноса этого рисунка на подложки.

Процесс литографии состоит из двух стадий:

- формирование необходимого рисунка элементов в слое актиночевствительного вещества (резиста) его экспонированием и проявлением;

- травления нижележащего технологического слоя (диэлектрика, металла) через сформированную технологическую маску или непосредственного использования слоя резиста в качестве топологической маски при ионном легировании.

В качестве диэлектрических слоев обычно служат пленки диоксида SiO2 и нитрата Si3N4 кремния, а межсоединений - пленки некоторых металлов. Все пленки называют технологическим слоем.

В зависимости от длины волны используемого излучения применяют следующие методы литографии:

- фотолитографию (длина волны актиничного ультрафиолетового излучения л = 250 : 440 нм);

- рентгенолитографию (длина волны рентгеновского излучения л = 0.5 : 2 нм);

- электронолитографию (поток электронов, имеющих энергию 10 - 100 КэВ или длину волны л = 0.05 нм);

- ионолитографию длина волны излучения ионов л = 0.05 : 0.1 нм).

В зависимости от типа используемого резиста (негативный или позитивный) методы литографии по характеру переноса изображения делятся на негативные и позитивные.

Фотолитография - технологический процесс производства полупроводниковых приборов и интегральных схем, позволяющих создавать приборы с высокими электрическими характеристиками, получать микроизображения любой сложной формы и легко изменять конфигурацию прибора. Процесс фотолитографии заключается в том, что на поверхности пластины полупроводникового материала выращивают слой окисла, на который наносят тонкий слой особого светочувствительного состава - фоторезистора, затем светочувствительный слой экспонируют через специальный трафарет (фотошаблон) с множеством изображений рабочих областей будущего прибора. Под действием света фоторезист изменяет свои свойства, и в результате проявления на поверхности пластины получают защитный рельефный слой, повторяющий рисунок фотошаблона. При дальнейшем травлении химическому воздействию подвергаются только незащищенные участки полупроводниковой пластины; оставшийся фоторезист удаляют.

При фотолитографии применяют различные материалы: фотографические (для получения на поверхности полупроводниковых пластин светочувствительных слоев - фотоэмульсии); химические (растворители, проявители, закрепители) и электроизоляционные (оптическое стекло, краски, эмали, лаки).

Основное значение фоторезистов - образование на поверхности полупроводниковой пластины тонкой защитной пленки нужной конфигурации, получающейся в результате светового воздействия. После проявления часть пленки (нужный рисунок) фоторезиста остается на поверхности полупроводниковой пластины и является маской для дальнейших технологических операций (травлений, вакуумного и гальванического осаждения металлов и др.). в основе создания рельефа на поверхности полупроводниковой пластины с помощью фоторезистов лежат фотохимические реакции фотоприсоединения и фоторазложения.

Параметры и свойства фоторезистов. Светочувствительность - величина, обратная экспозиции, требуемой для перевода ФР в растворимое или нерастворимое (в зависимости от того, позитивный или негативный резист) состояние.

Разрешающая способность - максимально возможное количество полос ФР, разделенных промежутками такой же ширины, на 1 мм.

Кислотостойкость - это способность слоя фоторезиста защищать поверхность подложки от воздействия кислотного травителя. Критерием кислотостойкости является время, в течение которого фоторезист выдерживает действие травителя до момента появления таких дефектов, как частичное разрушение, отслаивание от подложки, локальное точечное расстравливание слоя или подтравливание его на границе с подложкой.

Адгезия - это способность слоя фоторезиста препятствовать проникновению травителя к подложке по периметру создаваемого рельефа элементов. Критерием адгезии является время отрыва слоя фоторезиста заданных размеров от подложки в ламинарном потоке проявителя. В большинстве случаев адгезию считают удовлетворительной, если слой фоторезиста 20 * 20 мкм2 отрывается за 20 мин.

По способу образования рисунка на поверхности полупроводниковой пластины фоторезисты делятся на негативные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием света образуют нерастворимые участки, после проявления остаются на ее поверхности, а рисунок на поверхности пластины представляет негативное изображение оригинала. Позитивные фоторезисты, наоборот, под действием света образуют растворимые участки, а рисунок на поверхности пластины точно повторяет оригинал.

Для полного удовлетворения нужд планарной и эпитаксиальной технологии в полупроводниковом производстве используют как негативные, так и позитивные фоторезисты. Только сочетание этих фоторезистов позволяет изготавливать полупроводниковые приборы и интегральные схемы с высокими электрофизическими параметрами.

В качестве негативного фоторезиста в полупроводниковой технологии используют состав на основе сложного эфира поливинилового спирта и коричной кислоты - поливинилциннамат (ПВЦ). Синтез ПВЦ обычно осуществляют, перемешивая суспензию поливинилового спирта и хлорангидрида коричной кислоты в пиридине. Готовый полимер тщательно отмывают от следов пиридина.

В качестве позитивных фоторезистов в полупроводниковой технике используют составы на основе хинондиазидов и диазосоединений (НХДА), действие которых заключается в легко протекающей замене диазогруппы на другие функциональные группы, в результате чего изменяются физико-химические свойства пленки фоторезиста.

Широкое применение в полупроводниковой фотолитографии нашел состав фоторезиста на основе 1,2-нафтохинондиазида (2)-5-сульфоэфира новолака.

Экспонирование и проявление в процессе ФЛ неразрывно связаны между собой.

Для экспонирования в ФЛ используют проекционный метод переноса изображения путем одновременной передачи изображения ФШ на всю технологическую площадь.

При проявлении контролируют температуру и величину рН проявителя. При изменении величины рН всего лишь на десятую долю, возможно, изменение размера элемента примерно на 10%.

Сушка проявленного слоя проводится при температуре 393…453 К. температура и характер ее изменения во время сушки также определяют точность передачи размеров изображений.

Для удаления ФР используют деструкцию полимера (например, сульфированием в серной кислоте); обработку в органических растворителях, плазмохимическую, термическую или фототермическую обработку, сводящуюся в основном к окислительной деструкции в кислороде или кислородосодержащих газах.

Задачи конструирования печатных плат. В РЭА печатные платы применяют практически на всех уровнях конструктивной иерархии: на нулевом - в качестве основания гибридных схем и микросборок, на первом и последующих - в качестве основания, механически и электрически объединяющего все элементы, входящие в электрическую принципиальную схему РЭА и ее узлов. При разработке конструкции печатных плат решаются следующие взаимосвязанные между собой задачи:

1) схемотехнические - трассировка печатных проводников, минимизация слоев и т.д.;

2) радиотехнические - расчет паразитных наводок, параметров линий связи и пр.;

3) теплотехнические - температурный режим работы ПП, теплоотводы;

4) конструктивные - размещение элементов на ПП, контактирование и пр.;

5) технологические - выбор метода изготовления, защита и пр.

Основные правила конструирования печатных плат.

1. Максимальный размер стороны ПП не должен превышать 500 мм. Это ограничение определяется требованиями прочности и плотности монтажа.

2. Соотношения размеров сторон ПП для упрощения компоновки блоков и унификации размеров ПП рекомендуются следующие: 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 3:2, 5:2 и т.д.

3. Выбор материала ПП, способа ее изготовления, класса плотности монтажа должны осуществляться на стадии эскизного проектирования, так как эти характеристики определяют многие электрические параметры устройства..

4. При разбиении схемы на слои следует стремиться к минимизации числа слоев. Это диктуется экономическими соображениями.

5. По краям платы следует предусматривать технологическую зону шириной 1,5-2,0 мм. Размещение установочных и других отверстий, а также печатных проводников в этой зоне не допускается.

6. Все отверстия должны располагаться в узлах координатной сетки. В крайнем случае, хотя бы первый вывод микросхемы должен располагаться в узле координатной сетки.

7. На печатной плате должен быть предусмотрен ориентирующий паз (или срезанный левый угол) или технологические базовые отверстия, необходимые для правильной ориентации платы.

8. Печатные проводники следует выполнять минимально короткими.

9. Прокладка рядом проводников входных и выходных цепей нежелательно во избежание паразитных наводок.

10. Проводники наиболее высокочастотных цепей прокладываются в первую очередь и имеют благодаря этому наиболее возможно короткую длину.

11. Заземляющие проводники следует изготовлять максимально широкими.

Конструктивные особенности ПП. Ширину печатных проводников рассчитывают и выбирают в зависимости от допустимой токовой нагрузки, свойств токопроводящего материала, температуры окружающей среды при эксплуатации. Края проводников должны быть ровными, проводники без вздутий, отслоений, разрывов, протравов, пор, крупнозернистости и трещин, так как эти дефекты влияют на сопротивление проводников, плотность тока, волновое сопротивление и скорость распространения сигналов.

Расстояние между элементами проводящего рисунка, расположенными на наружных или в соседних слоях ПП, зависит от допустимого рабочего напряжения, свойств диэлектрика, условий эксплуатации и связано с помехоустойчивостью, искажением сигналов и короткими замыканиями.

Координатная сетка чертежа ПП необходима для координации элементов печатного рисунка. В узлах пересечений сетки располагаются монтажные и переходные отверстия. Основным шагом координатной сетки принят размер 0,5 мм в обоих направлениях. Если этот шаг не удовлетворяет требованиям конкретной конструкции, можно применять шаг, равный 0,05 мм. При использовании микросхем и элементов с шагом выводов 0,625 мм допускается применение шага координатной сетки 0,625 мм. При использовании микросхем зарубежного производства с расстояниями между выводами по дюймовой системе допускается использование шага координатной сетки, кратного 2,54 мм.

Диаметры монтажных и переходных отверстий (металлизированных и неметаллизированных) должны выбираться из ряда 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; U; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4;2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3,0. Монтажные отверстия предназначены для установки микросхем и ЭРЭ, а переходные отверстия для электрической связи между слоями или сторонами ПП.

Соотношение линейных размеров сторон ПП должно составлять не более 3:1.

Кривизна ПП (цилиндрическое или сферическое искривление основания) может появиться в результате воздействия высокой температуры и влажности. Допустимое значение изгиба ПП на длине 100 мм составляет для ОПП и ДПП 1,5 мм; для МПП - 2,0 мм.

Допустимая плотность тока для ОПП, ДПП и наружных слоев МПП - 20 А/мм2; для внутренних слоев МПП - 15 А/мм2. Допустимое рабочее напряжение между элементами проводящего рисунка, расположенными в соседних слоях ПП и ГПК, зависит от материала основания печатной платы и не должно превышать значений, указанных в таблице слева.

Классы точности - все изготовленные платы должны соответствовать определенному классу точности, который определяется комплексом технологических средств или оборудования. Сейчас применяют платы 3-5 классов точности.

3-й класс точности - толщина токопроводящей дорожки должна быть минимум 0,25мм.

Расстояние между соседними дорожками (элементами печатного монтажа) 0,25мм.

4-й класс точности -толщина токопроводящей дорожки должна быть минимум 0,2мм. Расстояние между соседними дорожками (элементами печатного монтажа) 0,2мм.

5-й класс точности - толщина токопроводящей дорожки должна быть минимум 0,15мм.

Расстояние между соседними дорожками (элементами печатного монтажа) 0,15мм.

Размеры печатных плат. В общем случае типоразмеры ПП выбираются исходя из требований двух направлений - функционального и технологического.

Требования функционального направления в конструктивном плане выражаются плотностью компоновки, зависящей от размеров и количества корпусов микросхем и вида монтажа активных и пассивных связей электрической схемы.

Требования технологического направления определяют ограничения типоразмеров с точки зрения технологических возможностей и эффективности производства заготовок, разрешающей способности фотолитографии, механической прочности, возможностей систем автоматизированного проектирования.

Требования к размерам ПП регламентированы отечественными и зарубежными стандартами, наиболее распространенные из которых фактически стали международными. Отечественный стандарт ГОСТ 10317-79 устанавливает следующие требования к размерам ПП:

1) предельный размер стороны не более 470 мм;

2) размеры сторон должны быть кратны:

* 2,5 мм при длине стороны не более 100 мм;

* 5,0 мм при длине стороны не более 350 мм;

* 10,0 мм при длине стороны более 350мм;

3) соотношение сторон не более 3:1;

4) шаг координатной сетки должен составлять 0,5 мм, 1,25 или 2,5 мм.



Тема 1.7 Обеспечение помехоустойчивости и тепловых режимов в конструкциях СВТ

Тепловой баланс.

В процессе эксплуатации конструкции ЭВМ могут подвергаться внутренним и внешним тепловым воздействиям положительных и отрицательных температур, источниками которых являются как элементы самой ЭВМ, так и окружающая среда или объект установки.

Тепловые воздействия могут приводить к снижению надежности функционирования ЭВМ, повышая интенсивность отказов их элементов (деталей, узлов).

Некоторая часть энергии, подводимая к изделию от источника электропитания, предназначена для выполнения элементами ЭВМ полезных функций обработки, хранения и передачи электрических сигналов, однако гораздо более значительная часть энергии рассеивается в виде теплоты и идет на нагрев как самих элементов (деталей, узлов) конструкции, так и окружающей среды.

Соотношение полезной энергии и энергии, рассеиваемой в виде теплоты, определяется коэффициентом полезного действия:

? = Eпол/Eсум = Епол/ (Eпол +Eнаг +Eрас)

где Епол -- полезная энергия, затрачиваемая на функционирование изделия; EСуМ -- подводимая к изделию энергия от источника питания; Енаг -- энергия, затрачиваемая на нагрев элементов; Eрас -- энергия, рассеиваемая в окружающем пространстве.

Температура нагрева изделия оказывается выше температуры окружающей среды, в результате чего происходит процесс отдачи теплоты в окружающую среду. Этот процесс идет тем интенсивнее, чем больше разность температур изделия и окружающей среды. Если за определенный промежуток времени в изделии выделяется теплоты больше, чем оно может рассеять в окружающую среду, то теплота идет на нагрев элементов конструкции. До тех пор, пока выделение теплоты не будет компенсироваться ее рассеиванием, нагрев элементов прогрессирует (нестационарный режим). В зависимости от конструкции изделия, а также параметров окружающей среды через некоторое время наступает установившийся (стационарный) режим, при котором дальнейший нагрев элементов прекращается, и в окружающую среду отдается постоянная тепловая энергия.

При некотором значении температуры поверхности изделия количество теплоты, отдаваемое в окружающую среду, и количество теплоты, выделяемое внутри изделия, оказываются равными (состояние теплового равновесия) и температура стабилизируется.

Элементы, выделяющие теплоту, называют источниками, поглощающие -- стоками, а сам процесс -- теплообменом. Конструкции изделий ЭВМ представляются в этом случае в виде системы тел с сосредоточенными многочисленными источниками и стоками теплоты. Поскольку выделение теплоты происходит в определенном объеме, то это теплорассеивающее пространство называют нагретой зоной

Тепловой режим изделий ЭВМ.

Температурное состояние изделия, т. е. пространственно-временное изменение его температуры в зависимости от мощности источников и стоков энергии, от физических и геометрических параметров изделия и окружающей среды, называют тепловым режимом изделия. Тепловой режим легче у того изделия, конструкция которого в большей степени приспособлена к теплообмену с окружающей средой.

Тепловой режим отдельного элемента считается нормальным, если выполняются два условия: I) температура элемента (или окружающей элемент среды) находится в пределах, определенных паспортом или техническими условиями на него, независимо от изменения температуры окружающей изделие среды; 2) температура элемента должна быть такой, чтобы обеспечивать его функционирование с заданной надежностью. Обычно считают, что высокая надежность и длительный срок службы ЭВМ будут гарантированы, если температура среды внутри ЭВМ нормальная (293... 298 К) и изменяется не более чем на 2 К за час непрерывной работы.

Тепловой режим любого электронно-вычислительного устройства можно охарактеризовать тепловой напряженностью, определяемой объемной или поверхностной плотностью теплового потока.

Объемная плотность теплового потока

qv = kP/V

где кР = Рраc -- мощность рассеивания в изделии, Вт; к -- коэффициент потерь мощности (для цифровых устройств к = 0,8...0,9); Р -- потребляемая мощность, Вт; V -- объем изделия (нагретой зоны), дм3 .

Тепловая напряженность обратно пропорциональна объему изделия или прямо пропорциональна отношению площади поверхности теплоотдачи S к объему, т. е. qv ~ S/V. Обычно значение qv для конструкций ЭВМ лежит в пределах 20... 100 Вт/дм .

По аналогии поверхностная плотность теплового потока определяется так:

qs = kP/S

Площадь поверхности теплоотдачи находится обычно как площадь поверхности нагретой зоны:

S = 2(L,L2 + (L, + L2)L3)

где L1, L2, L3 -- геометрические размеры изделия, м.

Однако очень часто при определении тепловых режимов конструкций ЭВМ учитывают неравномерное расположение источников теплоты. В этом случае используют понятие эквивалентной нагретой зоны. Реальное тепловыделяющее пространство заменяется .пространством с равномерно распределенными источниками теплоты, реальная поверхность нагретой зоны -- изотермической поверхностью некоего прямоугольного параллелепипеда с определенной среднеповерхностной температурой и средним перегревом поверхности. Тогда обычно принимают L1э.Нз~=L1, L2 э.н.з ~=L2, L3 э н з ~= K3L3, где К3 -- коэффициент заполнения изделия элементами (источниками теплоты). Коэффициент заполнения 2Vt

n

Kз=?Vi/V

i=1

где Vi -- объем j-ro элемента ЭВМ; п -- число элементов в изделии. Площадь поверхности теплоотдачи эквивалентной нагретой зоны

Sэ.н.з = 2(L,L2 + (L1 + L2)L3K3)

Виды теплообмена в конструкциях ЭВМ.

Отвод теплоты от элементов конструкций ЭВМ может происходить за счет конвекции, излучения и теплопроводности.

В реальных конструкциях присутствует теплообмен всех трех видов, протекающий по своим вполне определенным законам.

Конвекцией называется процесс теплообмена, при котором перенос теплоты от одной нагретой точки к другой осуществляется макрочастицами газа или жидкости. Конвекция может быть естественной (в результате действия сил тяготения на газ или жидкость) или принудительной (вынужденной), когда перемещение газа или жидкости выполняется специальными устройствами.

Перенос теплоты при излучении (радиации) основан на способности физических тел излучать и поглощать тепловую энергию в виде электромагнитных волн.

Теплопроводность -- это процесс теплообмена между находящимися в соприкосновении телами (или их частями), обусловленный взаимодействием молекул и атомов.

Для описания всех трех видов теплообмена действительно следующее соотношение:

Р = aS^t

где Р -- тепловой поток, Вт; а -- коэффициент теплообмена,

Вт/(м3 *К); S -- площадь поверхности теплообмена, м ; ^t -- перепад температур между двумя изотермическими поверхностями в теле (или между телами), К.

Конвекция. Количество теплоты, отдаваемое нагретым телом за счет конвекции, определяется как

Рк = aKS^t.

Коэффициент теплообмена конвекцией зависит от многих факторов:

ак = f (tc,t'ст. ,h,?,?,v,c,?,?,g,a,t)

где tc -- температура среды, участвующей в конвективном теплообмене, К; t„ -- температура стенки (поверхности кожуха, корпуса, каркаса), К; h -- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м -К); v -- скорость движения газа (жидкости), участвующего в конвективном обмене, м/с; р -- плотность среды, кг/м ; v -- вязкость среды,

м/с; с -- теплоемкость среды, Дж/(кг-К); ? -- коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); ? -- коэффициент объемного расширения среды, К-1 ; g -- ускорение свободного падения, м/с ; а -- коэффициент температуропроводности газа (жидкости), м /с; t -- размер тела, характерный для его конфигурации, м.

Излучение. При попадании лучей на тело часть их отражается, а часть проникает внутрь тела. Глубина проникновения теплового излучения в диапазоне электромагнитных волн длиной 0,3... 10,0 мкм и более незначительна. В проводниках все тепловое излучение обычно поглощается в поверхностном слое толщиной до 1 мкм, в непроводниках -- порядка 1,3 мм.

Отношение отраженного излучения к падающему характеризуется отражательной способностью тела R, отношение поглощенного излучения к падающему -- поглощательной способностью А. Поскольку глубина проникновения теплового излучения в тела крайне мала по сравнению с их физическими размерами (т. е. по сути дела нет пропускной способности таких тел), то R + А = 1.

Наибольшей излучательной и наименьшей отражательной поверхностями обладают «абсолютно черные» поверхности (R = 0, А = 1). Поэтому наиболее интенсивная отдача теплоты происходит, когда нагретые и окружающие тела имеют черную матовую поверхность, а наименее интенсивная теплоотдача -- когда и то, и другое тела имеют гладкую блестящую (отражающую) поверхность.

Отношение излучательной способности любого тела к излучательной способности «абсолютно черного» тела при определенной температуре называют степенью черноты тела и обозначают е.

Теплопроводность. Процесс передачи теплоты за счет теплопроводности возможен, если имеется градиент температуры в различных точках тела или в местах соприкосновения тел.

Тепловой поток за счет теплопроводности Рт от более теплой области к более холодной описывается следующим выражением:

Pt=(?S/d)*(t1-t2) или Pt=(t1-t2)/Rt

где ? -- коэффициент теплопроводности, характеризующий материала стенки, Вт/(м-К); S -- площадь распространения теп-левого потока по стенке, м ; d -- толщина стенки, м; t1,t2 -- температуры поверхностей стенки, К.

Отношение d/(XS) = RT называется кондуктивным тепловым сопротивлением, а обратная величина Gт = 1/Rт = AS/d -- тепловой проводимостью.

Системы охлаждения и способы обеспечения нормального теплового режима конструкций ЭВМ

Под системой охлаждения понимают совокупность устройств и конструктивных элементов, используемых для уменьшения локальных и общих перегревов. Системы охлаждения обычно классифицируют по способу передачи теплоты, виду теплоносителя и источников теплоты. В конструкциях ЭВМ применяются естественное и принудительное воздушное охлаждение, а также жидкостные и испарительные системы охлаждения.

При естественном воздушном охлаждении теплота от элементов конструкции передается окружающей среде за счет естественной конвекции. Использование других систем охлаждения требует введения в конструкции ЭВМ различных устройств, содержащих теплоноситель и задающих режим его движения.

Естественное охлаждение.

Охлаждение естественной конвекцией основано на том, что слои воздуха (газа, жидкости), нагреваясь от выделяющего теплоту корпуса и обладая вследствие этого большей кинетической энергией и меньшей плотностью, перемещаются вверх и замещаются более холодными слоями, поэтому теплообмен тем лучше, чем больше объем замещаемого воздуха.

Для увеличения объема охлаждающего воздуха возможно выполнение в стенках корпуса перфорационных отверстий. Если замещение воздуха затруднено (перфорация отсутствует), то элементы в верхней части корпуса находятся в более тяжелом тепловом режиме, чем элементы, расположенные книзу, поскольку в верхней части корпуса смена воздуха практически не происходит» С учетом этих обстоятельств печатные платы с элементами желательно размещать вертикально, а не горизонтально, чтобы не было препятствий свободному току воздуха.

Микросхемы (источники теплоты на платах) и сами платы должны размещаться по возможности равномерно. Платы с недостаточно теплостойкими элементами желательно размещать внизу конструкции, т. е. в зоне с наименьшей температурой.

Охлаждение естественной конвекцией воздуха неэффективно при жарком климате и низком атмосферном давлении. Поэтому необходимо сочетать естественное охлаждение конвекцией с охлаждением кондукцией и излучением.

Для уменьшения температуры элемента, охлаждаемого за счет кондуктивного переноса теплоты, необходимо уменьшать: 1) количество выделяемой элементом теплоты, определяемое его рассеиваемой мощностью; 2) температуру корпуса, контактирующего с окружающей средой (воздухом); 3) тепловое сопротивление участка пути передачи теплоты от охлаждаемого элемента к корпусу. На первые два фактора влиять достаточно сложно (например, мощность, рассеиваемая элементом, определяется схемотехникой функционального узла ЭВМ), то для уменьшения теплового сопротивления участка элемент -- корпус применяют ряд других конструктивных мер. Среди них: уменьшение пути теплопередачи; увеличение площади сечения, по которому происходит теплопередача; применение конструкционных материалов с высокой теплопроводностью.

Охлаждение за счет излучения имеет место практически для любой нагретой зоны. Однако у большинства негерметизированных конструкций ЭВМ поток лучистой энергии поверхности нагретой зоны обычно меньше мощности тепловыделения этой нагретой зоны, поэтому механизм излучения при реальных значениях мощности тепловых потоков слабо влияет на охлаждение конструкций ЭВМ. Вместе с тем желательно, чтобы теплонагруженные элементы были окрашены в темные цвета.

Принудительное охлаждение. Принудительное охлаждение применяется, если естественного воздушного охлаждения для поддержания нормального теплового режима устройств ЭВМ оказывается недостаточно. В настоящее время до 90% современных конструкций ЭВМ оборудовано системами принудительного воздушного охлаждения с использованием вентиляторов (блоков вентиляторов).

Основные причины применения принудительного воздушного охлаждения в ЭВМ -- наличие дешевого и доступного теплоносителя, относительная простота и надежность элементов системы охлаждения (вентиляторов, нагнетающих воздух, воздуховодов и т. п.).

На практике используются три системы принудительного воздушного охлаждения: приточная, вытяжная и приточно-вытяжная Приточная вентиляция эффективнее вытяжной, поскольку воздух подается внутрь охлаждаемого устройства с повышенным давлением, что способствует улучшению теплоотдачи. Однако нагнетаемый воздух может уходить через неплотности в кожухе. Повысить напор охлаждающего воздуха можно в приточно-вытяжной системе охлаждения.

В ЕС ЭВМ используются все три системы принудительного воздушного охлаждения. Для охлаждения технических средств используются как автономные, так и централизованные системы охлаждения. Централизованная система охлаждения, состоящая из кондиционеров и устройств воздухораспределения, применяется в основном в современных моделях ЕС ЭВМ. Автономная система, используемая практически во всех центральных устройствах ЕС ЭВМ, включает вентиляторы различных типов: осевые, центробежные, прямоточные. Эффективность охлаждения определяется температурой входного охлаждающего воздуха и его расходом на единицу мощности, выделяемой в ЭВМ, поэтому тип и количество вентиляторов, устанавливаемых в устройство, определяют исходя из требуемого расхода воздуха, аэродинамической характеристики конструкций и ряда других конструктивно-технологических характеристик. В связи с этим конструкция, в которой используется принудительное воздушное охлаждение, должна обеспечивать малое и равномерное аэродинамическое сопротивление охлаждающему воздуху, для чего элементы конструкции стремятся разместить, обеспечивая по возможности одинаковые тепловые зазоры для обтекания элементов и поворачивая наименьшую грань элемента перпендикулярно к воздушному потоку. Внутренний объем конструкции защищают от пыли специальными фильтрами.

Системы принудительного воздушного охлаждения, несмотря на их высокую технологичность и низкую стоимость, имеют ряд недостатков: увеличиваются объем и масса конструкций ЭВМ в целом; требуются большие затраты мощности на охлаждение; высок уровень акустических шумов и вибраций и др. Кроме того, в последние годы в связи с ростом тепловой нагрузки все чаще при конструировании, особенно ЭВМ четвертого поколения, возникают ситуации, когда принудительное воздушное охлаждение вообще не в состоянии обеспечить необходимый тепловой режим. В этих случаях более эффективно принудительное жидкостное, воздушно-жидкостное или кондуктивно-жидкостное охлаждение.

Чисто жидкостные системы охлаждения эффективны лишь в том случае, если обеспечивается хороший тепловой контакт между источниками теплоты и охлаждающей жидкостью (теплоносителем). Поскольку создание таких разъемных тепловых контактов -- достаточно сложная конструктивная задача, наиболее часто используются смешанные воздушно-жидкостные или кондуктивно- жидкостные системы охлаждения.

В воздушно-жидкостных системах охлаждения отвод теплоты от блоков осуществляется как поступающим в стойку от вентиляторов воздухом, так и жидким носителем (чаще водой, реже фреонами, антифризами и т. д.), протекающим по трубам к охладителям. Охладители выполняются в виде системы параллельных трубок, расположенных под каждым охлаждаемым блоком. В некоторых конструкциях ЭВМ применяются замкнутые системы охлаждения, использующие теплообменники, насосы и другое оборудование, позволяющее экономить теплоноситель.

В кондуктивно-жидкостных системах охлаждения используется принцип параллельного охлаждения, когда каждый ряд элементов конструкции (источников теплоты) и даже каждый источник теплоты охлаждается отдельно. В этом случае обеспечиваются примерно равные температуры элементов конструкции за счет приблизительно одинакового кондуктивного теплового сопротивления от охлаждаемого элемента к теплоносителю.

Паразитная связь - это не предусмотренная электрической схемой и конструкцией связь между элементами устройства или устройством и внешней средой, приводящая к появлению помех. Помехи - электрические сигналы, не предусмотренные электрической схемой изделия. Помехи делят на шумы и наводки. Наводки - это помехи, возникающие вследствие появления паразитных связей. Шумы - это электрические сигналы, возникающие в электронных приборах независимо от наличия внешних связей и сигналов.

Паразитные связи являются следствием неидеальности реализации электрической схемы, поэтому значения наводок определяются конструкцией изделия. Шумы являются следствием неидеальности характеристик электронных приборов, резисторов и конденсаторов. Шумовые параметры приводятся в технических условиях на элементы. Уровень шумов слабо зависит от конструкции изделия. Шумы обусловлены статическими флуктуациями носителей зарядов в проводниках и электронных приборах.

Помехой для ВТ является внешнее или внутренне воздействие, приводящее к снижению дискретной информации во время ее хранения, преобразования, обработки или передачи. Так как информационные сигналы в ВТ имеют электрическую природу, то при конструировании необходимо учитывать помехи той же природы, как наиболее вероятные источники искажения информации. Причинами помех являются:

1. Энергетический уровень информационных сигналов. Он имеет тенденцию к уменьшению (повышение частоты и снижение перепада напряжений).

2. Увеличение взаимного влияния элементов из-за уменьшения габаритных размеров активных элементов и линии связи между ними, а также увеличение плотности размещения.

3. Возрастание уровня помех из-за усложнения системы, в частности увеличения числа внешних устройств, которые содержат большое количество электромеханических узлов.

4. Внедрение ВТ во все сферы человеческой деятельности.

Для снижения наводок необходимо устранять или ослаблять до допустимых значений паразитные связи. В первую очередь ослабление паразитных связей должно производиться прямым уменьшением Cпар, Lпар, Mпар и Zобщ . Способы уменьшения паразитных связей:

размещение вероятных источников и преемников наводок на максимально возможном расстоянии друг от друга;

уменьшение габаритов токонесущих элементов, обеспечивающих минимум паразитной связи ;

сведение к минимуму общих сопротивлений;

изъятие посторонних проводов, проходящих через несколько узлов или блоков, которые могут связать элементы, расположенные достаточно далеко друг от друга;

при невозможности исключения посторонних проводов, создающих паразитную связь, необходимо позаботиться о том, чтобы при емкостной паразитной связи сопротивление постороннего провода относительно корпуса было минимальным, при индуктивной паразитной связи необходимо увеличивать внутреннее сопротивление посторонней линии связи, в последнюю очередь установить экраны и развязывающие фильтры. Экранирование - это локализация электромагнитной энергии в пределах определенного пространства путем преграждения ее распространения. Развязывающий фильтр - это устройство, ограничивающее распространение помехи по проводам, являющимся общим для источника и приемника наводки.

Электрическое соединение логических и других элементов ЭВМ осуществляется по двум видам связи : сигнальной и цепям питания. По сигнальным связям информация передается в виде импульсов напряжения и токов. Шины питания служат для подведения энергии к элементам от низковольтных источников постоянного напряжения. При использовании одного источника напряжения питание к элементам подводиться с помощью двух проводников: прямого и обратного.

Часто на элементы необходимо подавать напряжение от нескольких источников с разными номиналами. В этом случае для уменьшения количества шин питания обратные проводники объединяют в одну шину, которую соединяют с корпусом устройства и называют «земля». В статическом состоянии по цепям питания протекают токи, вызывающие падение напряжения на элементах. Необходимо, чтобы это падение напряжения составляло малую часть от номинала источника напряжения. Если задаться значением максимально допустимой помехи, возникающей при потреблении элементами энергии в статическом состоянии, то можно установить требования к допустимому значению сопротивления шины питания, а отсюда и к геометрии шины.

При работе блоков и устройств ЭВМ, когда происходит выключение одних элементов и включение других, возникает процесс перераспределения токов. Ток потребления по шинам питания изменяется, что приводит к нежелательным падениям напряжения и паразитным наводкам. Для шины питания большого устройства (стойки) изменение тока в ней незначительно, так как для этой шины в любой момент времени число включенных элементов можно считать одинаковым.

Иное происходит в шинах питания, проводящих энергию к более мелким устройствам (регистрам, счетчикам, блокам формирователей). В этом случае переключение элементов (сброс в «0» регистра или запуск блока формирователей) приводит к значительному изменению тока потребления от источника напряжения. Так как шины питания имеют паразитную емкость и индуктивную связь с сигнальными шинами, то при переключении элементов на сигнальных связях наводятся большие помехи. При определенных условиях эти помехи могут вызывать ложное срабатывание схем.

Кроме того, изменение тока в шине питания приводит к возникновению в ней переходного процесса. Переходный процесс в шине питания приводит к колебанию напряжения, приложенного к элементу, что изменяет, с одной стороны, режим его работы, а с другой - параметры выходного сигнала.

Индивидуальные сглаживающие конденсаторы (ИСК) устанавливают между шинами питания и «земля» непосредственно возле точек соприкосновения электронной схемы к этим шинам. Будучи заряженными до значения источника напряжения, ИСК являются как бы индивидуальными источниками питания схемы, максимально приближенными к ней физически.

В аппаратуре используются два вида ИСК: устанавливаемые непосредственно у каждой микросхемы и устанавливаемые на группу микросхем в пределах одной ячейки, модуля. Первый тип предназначен для «сглаживания» импульсных помех в момент переключения микросхемы за счет локализации цепи протекания бросков тока в цепи микросхема - ИСК. Второй тип ИСК, устанавливаемый на группу микросхем, предназначен для компенсации бросков тока в системе электропитания. Это обычно электрические конденсаторы большой емкости, обеспечивающие исключение резонансных явлений в цепях питания.



Тема 1.8 Автоматизация проектирования и технологической подготовки производства ЭВТ

Проектирование - это процесс создания описания необходимого для построения в заданных условиях ещё несуществующего объекта на основе его первичного описания.

Проектирование разделяют на:

1. неавтоматизированное;

2. автоматизированное;

3. автоматическое.

Классификация САПР:

1. по разновидности и сложности объектов проектирования

- САПР низкосложных объектов (количество составных частей до 100);

- САПР среднесложных объектов (количество составных частей от 100 до 10 тысяч);

- САПР высокосложных объектов (количество составных частей от 10 тыс. и более).

2. по уровню автоматизации

- неавтоматизированные (до 25% проектных процедур автоматизирования);

- среднеавтоматизированные (от 25 до 50% проектных процедур автоматизир-я);

- высокоавтоматизированные (от 50 до 75% проектных процедур автоматизир-я).

3. по уровню комплексности

- одноэтапные (выполняют один этап проектирования);

- многоэтапные (выполняют несколько этапов проектирования);

- комплексные (выполняют весь цикл проектирования объектов).

4. по характеру и числу выпускаемых проектных документов

- низкой производительности (от 100 до 10 тысяч проектных документов)*;

- средней производительности (от 10 тыс. до 100 тыс. проектных документов)*;

- высокой производительности (от 100 тысяч и более проектных документов)*.

5. по числу уровней технического обеспечения