Конструктивная иерархия современных РЭА может быть представлена в виде пяти уровней.

Иерархический принцип построения конструкции позволяет вести проектирование типовых конструкций по каждому уровню иерархии, но так как параметры типовых конструкций текущего уровня зависят от результатов, полученных на предыдущих, задачу конструирования РЭА в целом необходимо решать с учетом взаимных связей всех типовых конструкций различных уровней.

Конструкция должна удовлетворять требованиям ТЗ и определенным технико-экономическим параметрам. Таким образом, основные свойства конструкции как n-уровневой иерархической системы следующие:

· возможность поиска в каждом уровне иерархии оптимального варианта типовой конструкции по своим локальным критериям качества;

· существование глобального критерия для всей системы в целом, который должен учитывать основные показатели РЭА, зависящие от конструкции;

· возможность итерационного поиска оптимального варианта типовых конструкций внутри рангов и между ними;

· осуществление связи между уровнями иерархии путем передачи обобщенной информации (функционалов, обобщенных показателей), а между подсистемами одного уровня - через информационные потоки о параметрах типовых конструкций.

В данном разделе рассмотрим вопросы разработки конструкций модулей различных иерархических уровней: блок, печатный узел, двухсторонняя печатная плата.

Межконтактные соединения выполняются в основном двумя способами:

· с помощью печатных плат (печатный монтаж);

· объемный монтаж (при помощи различных проводов, кабелей, жгутов).

В разрабатываемом изделии соединения будут выполняться первым методом, т.е. с помощью печатных плат. Это проще, надежнее и технологичнее, и достаточная простота изделия не составит особых затрат при трассировке электрических соединений.

Выделяют несколько типов электромонтажа РЭС на печатную плату:

· ручная подготовка элементов, ручная установка элементов, ручная пайка (ручная сборка);

· ручная подготовка элементов, ручная установка элементов, автоматическая пайка (частично ручная сборка);

· ручная подготовка элементов, автоматизированная установка элементов, автоматическая пайка (автоматическая сборка);

· автоматизированное производство.

Следует отметить, что первый метод используется в единичном и мелкосерийном производстве и не имеющих автоматизированных процессов. Второй в основном в мелкосерийном, в среднесерийном частично, а третий - в крупносерийном производстве и массовом. При производстве изделия будет использоваться второй тип электромонтажа (ручная подготовка элементов, ручная установка элементов, автоматическая пайка).

4.3.1 Разработка конструкции блока

Несущей конструкцией (НK) принято называть элемент конструкции или совокупность элементов, предназначенную для размещения составных частей радиоэлектронных средств (РЭC) и обеспечения их устойчивости и прочности в заданных условиях эксплуатации [20]. НК является одной из основных частей электронного блока, определяющей не только его форму и механические характеристики, но и такие важнейшие показатели качества РЭC, как надёжность, ремонтопригодность, технологичность, удобство применения в эксплуатации. Для блока несущая конструкция, образно говоря, является его "скелетом" [21]. B процессе создания электронного блока работа над несущей конструкцией следует непосредственно за этапом его компонования [21] и предшествует разработке лицевой панели сборочного и электромонтажного чертежей, оценке качественных характеристик.

Электронный блок - конструкция второго уровня - представляет собой радиоэлектронное средство или его часть, имеющее определённую функциональную, схемную и конструктивную завершённость, имеющее своё чёткое назначение и состав выполняемых задач, органов управления и информации и, как правило, свою лицевую панель. Блок должен иметь свою принципиальную электрическую схему с обозначением (номером), соответствующим его сборочному чертежу. Конструкция блока пространственно-ограниченная, защищающая составные части блока от внешних воздействий. По исполнению блок может быть рассчитан на автономное использование. Тогда у него имеются кожух, футляр, крышки, приспособление для переноски. Для обозначения такой конструкции используется термин "моноблок". Исполнение также может быть носимое (в руках, сумках, ранцах), настольное и напольное (в том числе и в подвижных средствах). В других случаях блок заранее рассчитывается на использование в составе конструкции следующего (высшего) уровня. Он может входить в стойку (шкаф) и быть вдвижным, "врубным", откидным.

Может крепиться на какой-то общей раме с другими блоками, может входить в общий контейнер.

При разработке НК исполнение блока и внешние воздействия должны быть заданными. При вхождении блока в шкаф, стойку, контейнер задаются также установочные размеры посадочного гнезда.

Все крупные пространственно-ограниченные составные части блока будем называть конструктивами. В качестве конструктивов могут выступать: модули (конструкции первого уровня), печатные узлы (конструкции нулевого уровня), а также крупные электрорадиоэлементы (например, трансформаторы, конденсаторы, вариометры, электронно-лучевые трубки, полупроводниковые изделия с радиаторами, электронные лампы со своими панелями), различные механизмы. Специфическим конструктивом можно считать лицевую панель. Её минимально необходимые габариты будут обуславливаться суммарной площадью, необходимой для удобного размещения всех выносимых на неё элементов схемы. Глубина такого конструктива определяется по наибольшему его элементу, например, переключателю, кнопке и т.п. [22]

Всё разнообразие НК целесообразно подразделять с двух точек зрения. Они, с одной стороны, различаются отношением конструкции к месту и способу установки блока. Можно выделить, исходя из этого, НК моноблоков, т.е. изделий, применяемых отдельно и выполняемых, как уже было ранее отмечено, в переносном, настольном и напольном исполнениях с креплением к месту установки или без него. Такие НК предусматривают всегда индивидуальную защиту блока от внешней среды крышками, съёмными панелями, амортизаторами и т.п.

Это во многом определяет их конструктивные особенности. Свои характерные особенности имеют и НК блоков для стоек и шкафов (ловители, приспособления сопряжения разъёмов, поворотные кронштейны, направляющие и т.п.).

С другой стороны, НК характеризуются способом образования пространственно-ограниченного рабочего объёма блока или способом взаимного расположения своих деталей. С этой точки зрения можно выделить несколько наиболее употребительных типов НК: 1) каркасный; 2) панельный; 3) коробчатый; 4) типа "шасси-панель"; 5) бескаркасный.

Каждый из них имеет свою преимущественную сферу применения и соответствующую конструкции преимущественную технологию изготовления и сборки.

Разрабатываемая конструкция более подходит по своим критериям к панельной НК. Рассмотрим ее характеристику.

Панельная НК. Представляет собой чаще всего сборку из литых или штампованных панелейплоскостей, на которые опираются печатные узлы и другие конструктивы блока. Не исключается в отдельных случаях не сборка, а сочетание панелей гнутых из общего листа или сваренных. При конструировании сборных каркасов следует обращать внимание на достаточность в креплении панелей площадей, прилегающих друг к другу мест, для обеспечения элементарной жёсткости.

При весьма плотном заполнении объёма блока конструкции выполняются раскрывающимися. Менее заполненные блоки допускают открытые нераскрывающиеся НК, жёсткость которых обеспечивается угловыми косынками или стяжными стержнями. Не исключается также применение боковых стенок и рамок.

Материал для изготовления корпуса выбирается из алюминия.

Литейные алюминивые сплавы содержат почти те же легирующие компоненты, что и деформируемые сплавы, но в значительно большем количестве (до 9 -- 13 % по отдельным компонентам). Литейные сплавы предназначены для изготовления фасонных отливок. Выпускают 35 марок литейных алюминиевых сплавов АЛ, которые по химическому составу можно разделить на 5 групп. Например, алюминий с кремнием АЛ2, АЛ4, АЛ9 или алюминий с магнием АЛ8, АЛ13, АЛ22

Таблица 4.9 - Основные свойства алюминиевых материалов

Сплавы на основе алюминия и кремния называют силуминами. Силумины обладают высокими механическими и литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, достаточно высокой прочностью и удовлетворительной пластичностью.

Сплавы на основе алюминия и магния имеют высокую удельную прочность, хорошо обрабатываются резанием и имеют высокую коррозионную стойкость. Свойства алюминиевых литейных сплавов существенно зависят от способа литья и вида термической обработки. Важное значение при литье имеет скорость охлаждения затвердевающей отливки или скорость охлаждения при ее закалке. В общем случае увеличение скорости отвода тепла вызывает повышение прочностных свойств. Поэтому механические свойства отливок при литье в кокиль (металлические литейные формы) выше, чем при литье в песчано-глинистые формы (см. табл.). Литейные алюминиевые сплавы имеют более грубую и крупнозернистую структуру, чем деформируемые. Это определяет режимы их термической обработки. Для закалки силумины нагревают до температуры 520--540 °С и дают длительную выдержку (5 -- 10 ч), для того чтобы полнее растворить включения. Искусственное старение проводят при 150--180 °С в течение 10--20 ч. Для улучшения механических свойств силумины, содержащие более 5 % кремния, модифицируют натрием. Для этого в расплав добавляют 1 -- 3 % от массы сплава соли натрия (2/3 NaF + 1/3 NaCl). При этом снижается температура кристаллизации сплава и измельчается его структура.

Наиболее приемлемым материалом для конструкции устройства является АЛ2 листовой, он сочетает в себе высокую прочность повышеную устойчивость к механическим и климатическим воздейстиям и подходящий по температурным режимам для общеклиматического исполнения.

4.3.2 Разработка конструкции печатного узла

Основные задачи разработки печатного узла являются компоновка, размещение, трассировка.

Среди задач компоновки выделяют задачи покрытия и задачи разбиения, задача трассировки заключается в определении геометрии соединений конструктивных элементов. Задача покрытия заключается в преобразовании функциональной схемы соединений элементов узла в схему соединений типовых конструктивных элементов (модулей). В результате решения задачи разбиения осуществляется разделение на конструктивно обособленные части (узлы) схемы соединений конструктивных элементов.

Задачей размещения является определение оптимального пространственного расположения элементов на коммутационном поле. Критерии и ограничения при решении задачи размещения можно разделить на метрические и топологические.

К топологическим относятся [24]:

· число пространственных пересечений соединений;

· число межслойных переходов;

· близость расположения друг к другу тепловыделяющих элементов или электромагнитной несовместимых элементов и соединений.

К метрическим относятся[24]:

· размеры элементов и расстояния между ними;

· размеры коммутационного поля;

· расстояния между выводами элементов;

· допустимые длины соединений.

Рациональное размещение элементов схемы на печатной является одним из главных критериев стабильной работы конструкции.

Критериями оптимальности трассировки являются: минимум суммарной длины всех проводников; минимум числа их пересечений; минимум изгибов проводников; минимум числа слоев МПП и переходов со слоя на слой; минимальная длина параллельных участков соседних проводников; равномерное распределение проводников по монтажной области.

От внешних воздействий плату и элемент индикации будет защищать корпус устройства.

4.3.3 Разработка конструкции печатной платы

Для разработки конструкции печатной платы рассмотрим предварительно типы печатных плат.

Электрической платой называют плоскую пластину из изоляционного материала для установки и электрического соединения радиоэлементов какого-либо радиоэлектронного или электротехнического устройства. Наибольшую популярность среди всех видов плат получила печатная плата. Печатная плата представляет собой пластину из гетинакса или текстолита с металлизированной поверхностью, на которой каким-либо способом (например фотохимическим) создаются тонкие электропроводящие проводники для соединения устанавливаемых на плате радиоэлектронных компонентов [25].

Распространенность печатных плат можно объяснить тем, что они обладают рядом достоинств и не имеют ярко выраженных недостатков. Основные достоинства печатных плат:

а) Увеличение плотности монтажа и возможность микро-миниатюризации изделий.

б) Гарантированная стабильность электрических характеристик.

в) Повышенная стойкость к климатическим и механическим воздействиям.

г) Унификация и стандартизация конструктивных изделий.

д) Возможность комплексной автоматизации монтажно-сборочных работ.

Все печатные платы делятся на следующие классы:

· Односторонние печатные платы - тип платы, на которой токопроводящие дорожки располагаются с одной стороны текстолита. Характеризуется высокой точностью выполняемого рисунка.

· Двухсторонняя печатная плата - плата, на которой дорожки располагается с двух сторон. Двухсторонние печатные платы на металлическом основании часто используются в мощных устройствах.

· Многослойная печатная плата состоит из чередующихся изоляционных слоев с проводящими дорожками. Между слоями могут быть или отсутствовать межслойные соединения. Достоинства многослойных печатных плат - уменьшение размеров и увеличение плотности монтажа, однако существуют и недостатки - изготовить многослойную печатную плату намного сложнее, чем однослойную.

· Гибкая печатная плата имеет гибкое основание, и характеристики, аналогичные двухсторонней печатной плате.

· Проводная печатная плата - сочетание ДПП с проводным монтажом из изолированных проводов.

Материалы для изготовления печатных плат используют стеклотекстолит и гетенакс. На сегодняшний день гетенакс практически не используется в производстве печатных плат. Поэтому для данного проекта будет использоваться стеклотекстолит.

Стеклотекстолит представляет из себя листовой композиционный слоистый пластик, изготовленный на основе стеклянной ткани и полимерного связующего и предназначен для использования в качестве конструкционного, электроизоляционного или поделочного материала в электротехнике и радиотехнике, машиностроении, самолетостроении, судостроении и других отраслях [26].

Стеклотекстолит обладает высокой механической прочностью, стойкостью к истиранию, низким водопоглощением, высокой химической стойкостью, отличными диэлектрическими характеристиками и долговечностью. Стеклотекстолит превосходит текстолит по механическим свойствам, теплостойкости, стойкости к действию агрессивных сред и практически не ухудшает своих свойств при эксплуатации на воздухе в течении 20 лет и более [26].

Из возможных вариантов стеклотестолита выберем - стеклотекстолит фольгированный СФ-2-35Г-2 ГОСТ 10316-78, толщина материала 2 мм, толщина фольги 35 мкм. Материал был выбран с учетом его малой стоимости и обеспечения качественного проводящего рисунка. На плате будут нанесены элементы поверхностного монтажа и выводные элементы.

Одним из элементов конструкции печатной платы является нанесение маркировки. Часть маркировки (или целиком) может быть реализована по технологии печатных проводников (как правило, травлением). Для маркировок необходимо выбирать шрифт, близкий по начертанию к стандартному (ГОСТ 26.020-80). Цвет маркировки краской задается конструктором в соответствии с оттенком фона (подложки). В большинстве случаев предпочтение отдается белой краске. Подходящими для этой цели являются такие краски, как ПФ-115, ЭП-572, USM-2 и некоторые другие.

4.4 Выбор, обоснование и разработка способов электромонтажа и соединений модулей

Сущность электромонтажа и соединения элементов на плате, определяет ряд факторов, характеризующих стоимость производства печатной платы, а именно технологии, оборудование и квалификация персонала, участвующего в процессе создания печатной платы.

Различают два вида монтажных соединений элементов печатного монтажа [27]:

а) Объемный монтаж (при помощи кабелей, проводов и жгутов);

б) При помощи печатных плат (печатный монтаж).

В данном проекте лучшим будет использование печатного монтажа, ввиду удобства использования устройства и нерациональности объемного монтажа. Простота схемы подразумевает удобство ее создания в САПР пакетах и реализацию.

Также существует несколько типов электромонтажа радиоэлементов на печатную плату [27]:

а) Ручная подготовка элементов, ручная установка элементов, ручная пайка;

б) Ручная подготовка элементов, ручная установка элементов, автоматическая пайка;

в) Ручная подготовка элементов, автоматизированная установка элементов, автоматизированная пайка;

г) Автоматизированное производство (все процессы автоматически).

Первый тип электромонтажа осуществляется в основном в радиолюбительских условиях.

Второй преимущественно в мелкосерийном производстве, а также среднесерийном.

Оставшиеся способы относятся к процессу массового и крупносерийного производства.

Разрабатываемое устройство можно отнести к мелкосерийному производству, ввиду достаточно малого количества выпускаемого оборудования, а также малой потребности в его эксплуатации.

Для реализации сборки и монтажа в данном проекте будет использоваться ручная установка элементов и их автоматическая пайка.

Электромонтаж элементов происходит в два этапа. На первом производится электромонтаж поверхностно монтируемых элементов паяльной пастой SMT9603005-38 (ф. SMTservice) для трафаретной печати с температурой плавления 219°С. Главные составляющие наиболее популярного припойного сплава паяльных паст: 62% олова и 36% cвинца. Также в состав может входить 2% серебра (Ag), что влияет на поведение пасты при оплавлении и снижает эффект поднятия компонентов при пайке. К ним относятся паяльные пасты (SMT623602-38, SMT623602W-38). В последнее время в промышленности все чаще и чаще начинают использовать паяльную пасту без содержания свинца. Это позволяет выпускать изделия, отвечающие нормам экологической безопасности, принятыми в Европейском союзе и повысить экологичность самого производства. К этому типу паст относятся марки SMT9603005-38 и SMT9603005W-38. В таблице 4.10 представлены виды таких паяльных паст.

Таблица 4.10 - Виды паяльных паст

На втором этапе проводится пайка волной навесных элементов припоем ПОС 61 ГОСТ 21930-76 с температурой плавления 190°С и флюсом ПВ201 ГОСТ 23178-78.

Выбор припоя зависит от соединяемых металлов или сплавов, от способа пайки, температурных ограничений, размеров деталей, требуемой механической прочности, коррозионной стойкости и др.

Наиболее широко применяются в практике, получили легкоплавкие припои. Рекомендации по их применению, на основании которых можно выбрать припой, приведены в таблице - 4.11. Буквы ПОС в марке припоя означают припой оловянно-свинцовый, цифры - содержание олова в процентах (ПОС 61, ПОС 40). Для получения специальных свойств в состав оловянно-свинцовых припоев вводят сурьму, кадмий, висмут и другие металлы.

Таблица 4.11 - Легкоплавкие припои [22]

На ПП для защиты проводников от замыканий при пайке и т.п. наносят слой диэлектрической защиты, типы покрытий приведены в таблице 4.11. Будем покрыть поверхность печатной платы (кроме контактных площадок) паяльной маской FSR 8000-11G (Тайвань) зеленого цвета.

Таблица 4.11 - Защитные паяльные маски [23]

Контактные площадки следует покрыть иммерсионным золотом, используя электролит иммерсионного золочения ЗИ-04. Иммерсионное золото наносится после формирования рисунка топологии печатной платы. Покрытие может наносится до или после нанесения паяльной маски.

При иммерсионном нанесении, электроны поступают из основного металла (меди).

Таким образом, иммерсионный процесс является самоограничивающимся. Как только медь покрывается целиком, процесс останавливается. Слой иммерсионного золота - ровный, компактный и мелкокристаллический. Он имеет хорошее сцепление с подслоем химического или электрохимического никеля и хорошо паяется с малоактивными флюсами. Толщина покрытия: 0,05 - 0,2 мкм.

Достоинства:

? плоская поверхность;

? равномерная толщина;

? выдерживает многократное термоциклирование;

? длительный срок хранения;

? хорошая паяемость;

? не влияет на размер отверстий;

? подходит для установки компонентов с малым шагом.

Недостатки:

? достаточно высокая стоимость;

? может содержать никель, который считается канцерогеном;

? возможно появление дефектов типа "black pad".

4.5 Выбор и обоснование способов защиты конструкции изделия и разработка деталей несущих конструкций

К защитным материалам предъявляется ряд требований:

· хорошие влагозащитные свойства (малая влагопроницаемость, отсутствие пор, пассивирующие свойства);

· возможность работы в диапазоне температур (близость ТКЛР пленки и материала компонента, эластичность);

· хорошая адгезия к защищаемому компоненту.

Влияние различных дестабилизирующих факторов, физических и климатических явлений отражается на работе печатных плат, поэтому требуется их максимальная защита от данных воздействий.

В таблице 4.12 представлены несколько видов лаков, используемые как защитное покрытие.

Самый распространенный и дешевый способ защиты гетинаксовых и стеклотекстолитовых печатных плат - покрытие их бакелитовыми, эпоксидными и другими лаками или эпоксидной смолой. Для защитного покрытия от действия влаги используем лак УР-231 стандарта ТУ 6-21-14-90. Он отличается повышенной эластичностью, влагостойкостью и температуростойкостью, поэтому может применяться для гибких оснований.

Лак приготовляют перед нанесением в соответствии с инструкцией и наносят на поверхность пульверизацией, погружением или кисточкой. Наносят четыре слоя с сушкой после каждого слоя при температуре от 18 до 45С в течение 1,5 ч. В итоге образуется глянцевое твердое покрытие с хорошей адгезией и высокими физико-механическими свойствами.

Таблица 4.12 -Основные параметры лаков[23]

Спецификация лака УР-231 стандарта ТУ 6-21-14-90:

? Основные свойства

Двухкомпонентная система; состоящая из полуфабрикатного лака и отвердителя. Полуфабрикатный лак представляют собой раствор алкидно -- эпоксидной смолы Э-30. отвердитель -- 70-процентный раствор диэтиленгликольуретана (ДГУ) в циклогексаноне.

? Область применения

Для защиты металлических изделий и печатных узлов всеклиматического исполнения, эксплуатируемых в интервале температур от минус 60 до плюс 120єС и для создания электроизоляционных защитных покрытий. образует глянцевое твердое покрытие с хорошей адгезией и высокими физико -- механическими свойствами.

? Технические характеристики

Окрашиваемая поверхность должна быть сухой, предварительно очищена от пыли, жировых и других загрязнений, ржавчины, окалины. Перед применением полуфабрикатный лак смешать с отвердителем ДГУ в массовом соотношении 100:18 и тщательно перемешать; до рабочей вязкости лак разбавляют растворителем [24].

Также максимально требуемую защиту изделия будет обеспечивать корпус, который должен быть хорошо за герметизирован.

4.6 Разработка внешнего оформления конструкции, описание разработанной конструкции и оценка ее качества

Конструкция корпуса будет состоять из двух частей: основания и лицевой панели корпуса. В части основания будет крепиться плата с помощью 3-х винтов, также в ней будут проделаны специальные отверстия для подключения к разъёмам. Соединения верхней и нижней частей корпуса осуществляется при помощи 4 винтов Это обеспечит быстрый и удобный доступ к печатной плате при необходимости.

Прокладок, либо дополнительных герметизирующих операций для данного корпуса не требуется.

Рисунок 4.13 - Внешний вид корпуса

5. КОНСТРУКТОРСКИЕ РАСЧЕТЫ