книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

/. Организация проектирования ЭА. Техническая документация

1.4. Показатели конструкции ЭА

Большое разнообразие имеющихся в эксплуатации и на рынке ЭА требует от разработчиков этого вида техники знания наборов показателей, по которым возможно сравнивать существующие модели ЭА с разрабаты­ ваемой. Безусловно, важнейшую роль при этом будут играть эксплуатаци­ онные и экономические показатели. С ними непосредственно связаны пара­ метры, характеризующие ЭА как объект конструкторско-технологической разработки. К таким показателям следует в первую очередь отнести сле­ дующие:

где Nj — число составляющих ЭА элементов; М с — число соединений; К\, К2и Кг —масштабный и весовые коэффициенты соответственно.

Выражение (1.1) связывает число составляющих ЭА интегральных микросхем, полупроводниковых приборов, электрорадиоэлементов, элемен­ тов коммутации с числом разъемных и неразъемных соединений между ними, что определяет габариты, массу, надежность и другие общие параметры ЭА.

Число элементов, образующих ЭА,

( 12)

где Ny — число устройств в ЭА; К„ — число типов применяемых элементов; я,, — число элементов /-го типа, входящих ву'-е устройство.

Объем ЭА

F = F „ + F c + F K+ F yT,

где Уц — общий объем интегральных микросхем и электрорадиоэлементов, образующих ЭА; Ус — объем, занимаемый всеми видами соединений; V, — объем несущей конструкции, обеспечивающей прочность и защиту ЭА при транспортировании и эксплуатации; FyT — объем теплоотводящего устройства.

Коэффициент интеграции, или коэффициент использования физиче­ ского объема

<?И - VN/V

характеризует степень использования физического объема ЭА элементами, выполняющими полезную функциональную нагрузку, т. е. непосредственно определяющими электрическую схему ЭА (qHвсегда меньше 1 и приближа­ ется к ней с использованием больших интегральных схем).

32

L 4. Показатели конструкции ЭА

Общая масса ЭА, определяемая как сумма масс, входящих в состав ЭА устройств:

т = т^ + тс + тн +

(обозначения в индексах аналогичны обозначениям в выражении (1.2)).

Общая мощность потребления ЭА

где pj — мощность потребления /-го устройства. Для цифровых устройств потребляемая ими мощность зависит от средней мощности потребления электронных компонентов. Известно, что 80— 90 % мощности потребления рассеивается в виде теплоты и определяет тепловой режим ЭА и соответст­ вующие перегревы элементов конструкции.

Общая площадь, занимаемая ЭА,

где Sj — площадь, требуемая для эксплуатации /-го устройства ЭА.

Собственная частота колебаний конструкции (элемента, устройства или всей ЭА):

где К — коэффициент жесткости конструкции; т — масса конструкции ЭА. Степень герметичности конструкции ЭА, определяемая количеством

газа, истекшем из определенного объема конструкции за известный отрезок времени:

где Vo — объем герметизированной части ЭА; тсл — срок службы ЭА; АР — избыточное давление газа в конструкции ЭА.

Вероятность безотказной работы ЭА p(t) и средняя наработка на отказ Гер — показатели надежности ЭА.

Степень унификации ЭА

У. Организация проектирования ЭЛ. Техническая документация

где NyH — количество унифицированных элементов, a N3 — общее количе­ ство примененных в ЭА элементов.

Коэффициент автоматизации конструкторских работ

где М л — количество конструкторских работ, выполненных с применением ЭВМ; М — общее число конструкторских работ при проектировании ЭА.

Важнейшим параметром, определяющим большинство эксплуатаци­ онных, конструкторских и экономических характеристик разрабатываемой ЭА, является технологичность, общее понятие о которой приводится в гл. 6.

Контрольные вопросы

1.Роль стандартизации в технике конструирования ЭА.

2.Из каких разделов состоит техническое задание на разработку ЭА?

3.Чем определяются обратные связи в последовательности выполнения этапов разработки ЭА?

4.В чем заключается подготовка производства ЭА?

5.Может ли корректироваться техническое задание в процессе разработки ЭА?

6.Какие конструкторские документы относятся к группе текстовых?

7.Что определяют технические условия на ЭА?

8.В чем разница между функциональными и принципиальными схемами в случае использования больших интегральных схем?

9.Как выглядит условное графическое обозначение ЯЯ-триггера с динамическим входом?

10.Как обозначаются многопроводные сигнальные шины на электрических схемах?

11.Назначение электрической схемы соединений.

12.Как изменяется значение коэффициента интеграции для различных поколений ЭА?

34

2.УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ИИХ ВЛИЯНИЕ НА КОНСТРУКЦИЮ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

2.1.Внешние факторы, влияющие на работоспособность ЭА

Условия эксплуатации ЭА и систем характеризуются комплексом па­ раметров, называемых внешними воздействующими факторами, которые имеют различную физико-химическую природу и изменяются в весьма ши­ роких пределах. Эти факторы принято разделять на климатические, механи­ ческие и радиационные.

Кклиматическим факторам относят: изменение температуры и влаж­ ности окружающей среды; тепловой удар; изменение атмосферного давле­ ния; наличие движущихся потоков пыли или песка; присутствие активных веществ в окружающей атмосфере; наличие солнечного облучения, грибко­ вых образований (плесень), микроорганизмов, насекомых, грызунов; взры­ воопасной и легковоспламеняющейся атмосферы; дождя и брызг; присутст­ вие в окружающей среде озона.

Кмеханическим факторам относят: воздействие вибраций, ударов, линейного ускорения, акустического удара.

Крадиационным факторам относят: космическую радиацию; ядерную радиацию от реакторов, атомных двигателей, радиационно-опасных ситуа­ ций; облучение потоком гамма-фотонов, нейтронов, бета-частиц, альфачастиц, протонов, дейтронов.

Некоторые из перечисленных факторов могут проявлять себя незави­ симо от остальных, а некоторые — в совместном действии с другими фак­ торами. Например, наличие движущихся потоков песка неизбежно приводит

квозникновению вибраций в элементах конструкции ЭА.

Так как электронно-вычислительная аппаратура принадлежит, как правило, к классу так называемых человеко-машинных систем, то важное

2. Условия эксплуатации и их влияние на конструкцию электронной аппаратуры

влияние на работоспособность ЭА оказывает человеческий (субъективный) фактор. Квалификация специалиста сказывается на качестве работы ЭА на всех этапах ее жизненного цикла. Несоблюдение правил проектирования, изготовления и эксплуатации ЭА приводит в конечном итоге к снижению их качества. Известно, что в ряде случаев число отказов аппаратуры увеличи­ вается с ростом частоты осмотров и ремонта. Внедрение автоматизации на всех этапах создания ЭА уменьшает влияние человеческого фактора.

Климатические ф акторы

Нормальными климатическими условиями являются: температура +25±10 °С, относительная влажность 45...80 %, атмосферное давление (8,3... 10,6) • 104 Па (630...800 мм рт. ст.), отсутствие активных веществ в окружающей атмосфере.

Совокупность воздействующих на конструкцию ЭА отдельных кли­ матических факторов и их характеристики определяются той климатичес­ кой зоной, в которой она эксплуатируется. Весь земной шар разделен на семь климатических зон, климат которых определяется как очень холодный, холодный, умеренный, тропически влажный, тропически сухой, умеренно холодный морской и тропический морской.

Очень холодный регион располагается в Антарктиде. Средняя мини­ мальная температура в нем ниже -60 °С. Рекордной является зафиксиро­ ванная в центральных районах Антарктиды на станции «Восток» темпера­ тура -88,3 °С. Характерной особенностью этого региона является сочетание низких температур с сильным ветром.

Вхолодную зону включены большая часть России и Канады, Аляска, Гренландия. Средняя минимальная температура здесь достигает -50 °С, го­ довой перепад температур для некоторых районов составляет 80 °С, средне­ суточный — до 40 °С. Особенностью для этой климатической зоны является наличие высокой прозрачности атмосферы, что благоприятно для ионизации воздуха и, как следствие, накоплению на поверхности аппаратуры статиче­ ского электричества. Характерным также является обледенение, иней, ветер

смелкой снежной пылью.

Вумеренный климатический регион включены часть территории Рос­ сии, большая часть Европы, США, прибрежные территории Австралии, Южной Африки и Южной Америки. Для него характерно годовое измене­ ние температур от -35 до +35 °С, образование инея, выпадение росы, нали­ чие тумана, изменение давления воздуха от 86 до 106 кПа.

Влажная тропическая зона располагается вблизи экватора и включает большую часть Центральной и Южной Америки, среднюю часть Африки,

36

2.1. Внешние факторы, влияющие на работоспособность ЭА

Юг Индии, Индонезию, часть Юго-Восточной Азии. Для этой зоны харак­ терны среднегодовые температуры +20...+25 °С с перепадом температуры за сутки не более 10 °С. Высокая влажность и повышенная концентрация солей (особенно вблизи побережья морей и океанов) делает атмосферу этой зоны коррозионно-агрессивной. В промышленных районах в атмосфере со­ держится сернистый газ и хлориды. Благоприятное сочетание температуры и влажности способствует существованию более 10000 видов плесневых грибков.

К зоне с сухим тропическим климатом относят северную часть Афри­ ки, центральную Австралию, засушливые районы Средней Азии, Аравий­ ский полуостров, часть Северной Америки. Этот регион характеризуется высокими температурами (до +55 °С), низкой влажностью, интенсивным солнечным излучением (до 1500 Вт/м2), высоким содержанием пыли и песка в атмосфере. Последнее способствует отрицательному абразивному и хими­ ческому воздействию на аппаратуру.

Умеренно холодная морская зона включает моря, океаны и прибреж­ ные территории, расположенные севернее 30° северной широты и южнее 30° южной широты. Остальная часть морей, океанов и прибрежных терри­ торий относится к тропически морской зоне. Климат морских зон отличает­ ся сравнительно небольшими суточными перепадами температур, наличием высокой влажности и значительной концентрацией хлоридов в атмосфере.

Учитывая специфику каждой из климатических зон, ЭА наземного ба­ зирования, предназначенная для работы в тропических зонах, должна быть изготовлена в соответствующем исполнении, что отмечается в документа­ ции индексом Т. ЭА, устанавливаемая на судах с неограниченным районом плавания, имеет обозначение ОМ. ЭА, пригодная для эксплуатации на суше и на море, имеет индекс В.

Повыш енные и пониженные температуры влияют на место уста­ новки ЭА, расположение источников внешнего нагрева, выделение тепла активными элементами внутри ЭА и суточным изменением температуры окружающей среды. Так как электрические параметры МС и ЭРЭ темпера­ турозависимы, необходимо, чтобы температура нагрева наиболее чувстви­ тельных к окружающей температуре элементов находилась в допустимых для этих элементов пределах. Кроме того, многие конструктивные материа­ лы при высоких температурах претерпевают структурные изменения (теп­ ловое старение материалов).

Работоспособность ЭА определяется допустимым температурным диапазоном работы, в котором ЭА должна выполнять заданные функции в рабочем, т. е. во включенном состоянии. Для исключения выхода из строя ЭА в процессе хранения и транспортирования в нерабочем, невключенном состоянии, необходимо, чтобы она выдерживала температуры, несколько

37

2. Условия эксплуатации и их влияние на конструкцию электронной аппаратуры

большие допустимого диапазона. Эти температуры, называемые предель­ ными, характеризуют тепло- и холодопрочностъ конструкции ЭА.

Тепловой удар характеризуется резким изменением температуры окружающей среды. При этом время изменения температуры исчисляется минутами, а ее перепад — десятками градусов. Наиболее сильно тепловой удар проявляется в элементах конструкции, где имеются локальные механические напряжения, способствуя образованию микротрещин, их росту и объединению.

В лаж ность — один из наиболее агрессивных воздействующих факторов, проявляющий себя при погружении аппаратуры в воду, воздействии капель дождя и брызг, водяных паров, образовании росы и инея с последующим его оттаиванием. Адсорбция на поверхности элементов ЭА конденсирующейся из окружающей атмосферы воды способствует коррозии металлических деталей, старению неметаллов, изменению электроизоляционных характеристик изоляторов. Кроме того, влага может выделяться из лакокрасочных и пропиточных материалов.

Вода, содержащаяся в атмосфере, всегда загрязнена активными вещ е­ ствами — углекислыми и сернистыми солями кальция, магния, железа, хло­ ристым кальцием, газами — что еще больше способствует проявлению кор­ розии.

Выпадение росы на поверхность аппаратуры происходит при опреде­ ленной температуре (точка росы), значение которой зависит от относитель­

Поглощение влаги различными материалами связано с тем, что меж­ молекулярные промежутки в полимерах, поры в керамике и других мате­ риалах в сотни раз превосходят размеры молекул воды (около 3 * Ю~10 м). Способность воды смачивать поверхность и проникать в поры материалов и микротрещины в зоне спаев разнородных материалов увеличивается с по­ вышением температуры. Так, при повышении температуры от +20 до +80 °С вязкость воды уменьшается в 3 раза, а величина поверхностного натяжения — более чем в 2 раза. Коэффициент самодиффузии при этом также увеличива­ ется более чем в 3 раза.

П ониженное и повы ш енное давление окружающей среды зависит прежде всего от высоты над уровнем моря места, где эксплуатируется ЭА. На рис. 2.1 приведен график изменения атмосферного давления от высоты над уровнем моря. На границе между тропосферой и стратосферой (16 км) давление воздуха равно примерно 10 кПа. Содержание влаги в атмосфере с ростом высоты также уменьшается.

38

начинается экзосфера, где атмосферные газы рассеиваются в мировое про­ странство.

При снижении давления ухудшается отвод тепла конвективным теп­ лообменом, уменьшается электрическая прочность воздуха, что приводит к ионизации воздуха и образованию химически активных ионов и радикалов. Повышенное атмосферное давление оказывает в первую очередь механиче­ ское воздействие на элементы конструкции ЭА.

П ы ль и песок, содержащиеся в атмосфере, оседая на поверхности де­ талей ЭА, могут стать причиной возникновения в ней неисправностей. Пыль содержит углекислые и сернокислые соли и хлориды, которые, взаимодей­ ствуя с влагой, ускоряют процессы коррозии. Кроме того, находящаяся в воздухе пыль способствует утечке зарядов и может вызвать пробой проме­ жутка, находящегося между контактами с высоким потенциалом. Стандар­ тами определены три уровня концентрации пыли: 0,18; 1,0; 2,0 г/м3.

К активны м веществам в окружающей аппаратуру атмосфере отно­ сят сернистый газ, хлористые соли, пары кислот, щелочей и др. Их содержа­ ние в атмосфере районов, находящихся в прибрежной зоне, значительно больше, чем во внутриконтинентальных районах. Различают три типа атмо­ сферы: атмосфера сельской местности (содержание сернистого газа не более 0,02 мг/м3), атмосфера промышленного района (сернистый газ 0,02...2 мг/м3, хлористые соли не более 0,3 мг/м3), морская атмосфера (хлористые соли 2... 2000 мг/м3).

Солнечное облучение также активно воздействует на работоспособ­ ность ЭА. Спектр излучаемой солнцем энергии состоит из трех составляю­ щих: ультрафиолетовая часть (длина волны менее 390 Ю '10м), видимая часть (длина волны 390-10‘10... 76010'1Ом), инфракрасная часть (длина волны бо­

39

2. Условия эксплуатации и их влияние на конструкцию электронной аппаратуры

лее 76010 ‘1им). На ультрафиолетовую часть спектра приходится около 9 % энергии излучения, на волны видимой части — около 41 %, на инфракрас­ ную часть — около 50 %. Примерно 35 % солнечной энергии поглощается в космическом пространстве, 19 % поглощается атмосферой Земли, около 46 % достигает земной поверхности.

Интегральная плотность потока солнечной энергии одинакова на по­ верхности Земли и на высоте 15 км и составляет 1125 Вт/м2, при этом 42 Вт/м2 приходится на ультрафиолетовую часть спектра.

Грибковые образования (плесень) относят к низшим растениям, не имеющим фотосинтеза. В процессе своей жизнедеятельности они выделяют лимонную, уксусную, щавелевую кислоты и другие химические вещества, под действием которых изменяются характеристики многих материалов. Активно поглощая воду, эти вещества способствуют ускорению процессов коррозии, ухудшают электроизоляционные свойства полимерных материа­ лов и т. д.

Идеальные условия для развития грибковых образований: температу­ ра 25... 35 °С, относительная влажность 80... 100 %, неподвижность воздуха, отсутствие света (особенно ультрафиолетовой и инфракрасной частей спектра).

Механические ф акторы

Впроцессе транспортирования и эксплуатации ЭА подвергается воз­ действию вибраций, представляющих собой сложные колебания, которые возникают при контакте конструктивных элементов с источником колеба­ ний. Особо опасны вибрации, частота которых близка к собственным часто­ там колебаний узлов и элементов конструкции. Свойство аппаратуры про­ тиводействовать их влиянию характеризуется вибропрочностью и вибро­ устойчивостью. Виброустойчивость определяет способность ЭА выполнять заданные функции во включенном состоянии в условиях воздействия виб­ раций. Вибропрочность характеризует качество конструкции ЭА, т. е. способность противостоять разрушающему воздействию вибрации в не­ рабочем состоянии и продолжать нормально работать после включения и снятия вибрационных нагрузок. Воздействующие на конструкцию ЭА вибрации характеризуются диапазоном частот и величиной ускорения (в

единицах g).

Явление удара в конструкции ЭА возникает в случаях, когда объект, на котором установлена машина, претерпевает быстрое изменение ускоре­ ния. Удар характеризуется ускорением, длительностью и числом ударных импульсов. Различают удары одиночные и многократные.

Линейное ускорение характеризуется ускорением (в единицах g) и длительностью воздействия.

40

2.1.Внешние факторы, влияющие на работоспособность ЭА

Акустический ш ум, проявляющийся в ЭА, устанавливаемых вблизи работающих двигателей ракет, самолетов, на кораблях, автомобильном и железнодорожном транспорте, характеризуется давлением звука, мощно­ стью колебаний источника звука, силой звука, спектром звуковых частот.

При воздействии вибрации и ударных нагрузок на элементы конст­ рукции ЭА в них возникают статические и динамические деформации, так как любой элемент конструкции представляет собой колебательную систе­ му, имеющую сосредоточенную и распределенную нагрузку и определен­ ный вид закрепления концов.

Следует отметить, что механизм влияния на конструкцию ЭА акустиче­ ских шумов и ударно-вибрационных нагрузок различен. Акустический шум подвергает механическим нагрузкам практически в равной степени все элемен­ ты конструкции. Ударно-вибрационные нагрузки воздействуют на элементы конструкции ЭА через их точки крепления. Поэтому эффективность такого воздействия определяется также положением элементов относительно его на­ правленности. Детали крепления элементов в определенной мере являются сво­ его рода демпферами, ослабляющими действие источника вибраций. Поэтому при прочих равных условиях следует признать действие акустического шума более разрушительным, чем действие ударно-вибрационных нагрузок.

Все более расширяющиеся сферы применения ЭА практически во всех сферах человеческой деятельности ужесточают требования к устойчи­ вости их конструкции воздействию механических факторов. Это иллюстри­ руется данными табл. 2.1, в которой приведена динамика роста требований нормативно-технических документов по механическим нагрузкам.

Таблица 2.1. Уровень требований к ЭА

Радиационные ф акторы

Радиационное воздействие вызывает как немедленную, так и накапли­ вающуюся реакцию элементов, составляющих конструкцию ЭА. Среди су-

41