Конструирование электромонтажа объемным проводом

 

Несмотря на худшие массогабаритные характеристики по сравнению с печатным монтажом (ПМ), электромонтаж (ЭМ) объемным проводом используется в случаях, когда:

1. Необходимо осуществить ЭМ при макетировании схемы или в опытном производстве (не надо изготовлять фотошаблон)

2. Печатный монтаж не обеспечивает нужной длины связи, недостаточен для передачи заданной мощности или вообще неприменим (шина накопителя запоминающего устройства на ферритовых сердечниках).

3. Необходимо передать широкий диапазон частот (вплоть до СВЧ) с малым затуханием и искажением, что достигается использованием коаксиального кабеля.

4. Необходимо экранировать электромонтажную связь (экранированный провод РК-75-1-2) или требуется компенсировать помехи (перевитая пара проводников).

5. Требуется осуществить соединение с «плавающими» контактами разъема или произвести контактирование методом «накрутки».

6. Требуется осуществить электрические соединения бескорпусных элементов с пленочной частью интегральных схем (ручная сборка).

7. Необходимо выполнить моточные изделия (обмотки трансформатора, катушки индуктивности, линий задержки).

 

Преимущества печатного, шлейфового и

Плёночного монтажа

 

Печатный монтаж получил наибольшее распространение как в конструкциях РЭУ, блоков, так и функциональных ячеек и узлов. Под обычным печатным монтажом понимают такой способ межэлементных и межблочных соединений, при котором плоские проводники имеют прочное сцепление с жестким или гибким изоляционным основанием по всей своей длине. Обычный печатный монтаж может быть односторонним или двухсторонним. В качестве жестких оснований печатных плат часто используют фольгированные диэлектрики СФ, ГФ, НФД. Основными достоинствами печатного монтажа являются надежность контактирования, высокая разрешающая способность по сравнению с проволочным, возможность автоматизации изготовления печатных плат в массовом производстве, объединение функций монтажа и несущей конструкции в одной детали (печатной плате).

Основным недостатком печатного монтажа можно считать ограниченные возможности расположения печатных проводников из-за запрета их пересечения в одной плоскости. Это часто приводит к потере полезной площади платы либо к необходимости применения многослойных печатных плат (МПП). Многослойные печатные платы получают методом попарного прессования из тонких фольгированных диэлектриков (ФДМЭ-2-0,1 – фольгированный диэлектрик на основе стеклоткани марки Э, двухсторонний толщиной 0,1мм). Число слоев ММП более 6-8 нежелательно, так как при этом увеличивается процент брака. Обычно их берут не более 4. ММП имеют высокую коммутационную способность и используются при конструировании ФЯ на корпусированных микросхемах. Обычные односторонние и двухсторонние печатные платы применяются при конструировании ФУ плоского, объемно-плоскостного и объёмного типов как с применением дискретных элементов, так и микромодулей плоского и этажерочного типов. При этом в первом случае печатная плата используется как первый уровень коммутации, а во втором случае – как второй уровень коммутации. В качестве последнего она часто используется в ФЯ микроэлектронных устройств.

В последнее время в МЭА широкое применение стал находить так называемый «шлейфовый» монтаж. Шлейфовый монтаж представляет собой гибкие полоски (ленты) из фольгированного диэлектрика ФДЛ (лавсан) или ФДИ (полиимидные пленки) с нанесением на них печатных проводников. Толщина пленки составляет 0,1-2 мм. Остальные параметры печатных лент соответствуют параметрам обычных печатных плат. Шлейфовый монтаж обычно используется для второго и выше уровней коммутации. Контактирование шлейфов и ФЯ может осуществляется зажимными контактными вставками, однако, это вносит элемент ненадежности при вибрациях. Поэтому чаще шлейфы непосредственно развариваются на контактных площадках или штырях и дополнительно заливаются компаундом или клеем для жесткости соединения.

К достоинствам шлейфового монтажа относятся малый вес и объем, возможность автоматизированного проектирования и изготовления, а к недостаткам – меньшая надежность при возможных многократных перегибах шлейфов и трудности изменения печатного рисунка при необходимости корректировки. Поэтому шлейфы рекомендуют применять для МЭА, серийно выпускаемой и достаточно отработанной.

Пленочный монтаж применяется для коммутации элементов ИС различного уровня сложности и сам может иметь несколько уровней коммутации. Так в ИС первой и второй степени интеграции пленочные проводники и контактные площадки изготавливаются в едином технологическом цикле методом тонкопленочной или толстопленочной технологии совместно с радиоэлементами схем и образуют первый уровень коммутации. Разработка пленочного монтажа подчиняется основным правилам и ограничениям при разработке топологии пленочных ИС.

При разработке ИС третьей и четвертой степени интеграции пленочный монтаж выполняется на так называемой «трассировочной» подложке (второй уровень коммутации) и представляет собой систему проводников с контактными площадками для приварки к ним выводов навесных бескорпусных элементов и микросхем более низкой степени интеграции.

В связи с увеличением степени интеграции БГИС и недопустимости пересечения пленочных трассировок, подложки могут быть выполнены в виде многослойной тонкопленочной подложки. В них коммутационные слои разделены боросиликатным стеклом, в котором имеются сквозные отверстия для межслойной коммутации. Однако из-за технологических неоднородностей обеспечить надежную изоляцию слоев пока полностью не удается, что приводит к значительному проценту брака. В другом варианте многослойная трассировка может быть выполнена в виде комбинации из 3-4 толстопленочных трассировочных подложек (II уровень коммутации)

 

К достоинствам пленочного монтажа относятся высокая разрешающая способность (принципиально до 5 мкм, обычно 50-100 мкм), надежность цепей коммутации, технологичность и возможность автоматизации проектирования и изготовления, возможность выполнения его на теплоотводе, что особенно важно для микросхем СВЧ. К недостаткам монтажа можно отнести ограниченность его только одной плоскостью и трудности технологического порядка, связанные с необходимостью приобретения парка вакуумных установок и т.п.

 

Разъемы в ЭС

Для межблочной и внутриблочной коммутации в ЭС применяются различные типы разъемов. По назначению они подразделяются на низкочастотные и высокочастотные, а по виду контактной пары – на штыревые и штепсельные.

К разъемам предъявляются следующие общие требования:

- быстрое соединение и разъединение частей разъемов (гнезда-колодки и вставки) без применения специального инструмента, т.е. минимальное усилие сочленения и расчленение контактов,

- исключение неправильного соединения коммутирующих цепей (необходимость наличия «ключа» в разъеме),

- надежность электрического соединения цепей (необходимость наличия пружинящих контактов, накидных гаек, пружинящих скоб-фиксаторов,

- малое переходное сопротивление контактов (серебрение и золочение бронзовых контактных пар).

В штыревых разъемах применяют контактные пара в виде разрезного гнезда и цилиндрического штыря, а в штепсельных – в виде пружинящего разрезного лепестка и плоского штыря. Промышленностью выпускается большое количество типов разъемов, главными из которых являются разъемы типа ШР (штыревой разъем), 2РМ (разъем малогабаритный), МР, РПС (разъем плоский специальный), РПГ (разъем плоский герметичный), «Наири» (для МЭА), а также высокочастотные разъемы и нестандартные комбинированные разъемы.

Разъем типа ШР применим для межблочной коммутации аппаратуры значительных объемов, например, в стоечно-блочных конструкциях. Он имеет число контактных пар от 3 до 45, диаметр штырей – 1,5; 2,5; 3,5 мм. Разъем крупногабаритный, с накидной гайкой, негерметичный, крепится в стенке блока с помощью прямоугольного фланца и четырех винтов.

Для малогабаритной аппаратуры применимы разъемы типа 2РМ, конструктивно аналогичные ШР, но меньших размеров. Число контактных пар составляет от 4 до 50; диаметр контактных штырей 1; 1,5; 2 и 3 мм; диаметр корпуса колодки-гнезда от 14 до 42 мм. Колодки разъемов выполняются герметичными 2РМГ, герметичными силовыми 2РМД, проходными 2РМП, специальными 2РМГС, а вставки негерметичными. Разъем термостойкий.

Применение рассмотренных выше типов разъемов в МЭА представляет собой диспропорцию по отношению к весу и объему самих блоков ЭС. Например, в блоке ОЗУ, имеющем объем 600-400 см³, объем разъемов 2РМД вместе с объемом вставок составляет 200-300 см³, то есть больше 1/3.

Поэтому в этих случаях применяют миниатюрные разъемы типа РГС, РПС и «Наири».

К основным требованиям,предъявляемым к разъёмам МЭА, относятся минимальные габариты и масса, высокая надёжность, большая коммутационная способность, повышенные значения допустимых токов и напряжений, технологичность.

 

Рис.8.28.Конструкция разъёма типа РПС.

1 – каркас: 2 – штырь; 3 – втулка; 4 – стеклянный изолятор; 5 – корпус.

 

Одним из таких разъёмов, удовлетворяющих поставленным требованиям, является низкочастотный разъём типа РПС (рис.8.28), имеющий, например, при 37 контактах размеры 31,5х10х5,2 мм. Шаг между выводами разъёма составляет 1,3 мм. Разъём имеет 7, 15, 21 контакт при однорядном расположении штырей и 37 контактов при двухрядном расположении. Контактная пара состоит из штыря – «витка» и гнезда – втулки, имеющих семь точек касания. Разъём способен работать в интервале температур -60…+85 ⁰С при относительной влажности 98% с ускорениями при вибрациях до 40g. и пониженном давлении 665 Па (5 мм рт. ст.). Разработан также ещё более малогабаритный разъём, имеющий при 37 контактах размеры 19х6х3 мм и шаг 0,8 мм. Рабочие токи и напряжения этого разъёма по сравнению с РПС уменьшены в 3 раза.

Рис.8.29.Нестандартные разъёмы МЭА:

а – комбинированный; б – низкочастотный; в – высокочастотные.

 

Для блоков и устройств с большим количеством абонентов, например устройства ввода – вывода в ЭВМ, используются разъёмы РГС с количеством выводов 32 и 50. Шаг между выводами составляет 2,5 мм.

Разъем «Наири» конструктивно аналогичен РПС, но имеет меньшие габариты (19 х 6 х 3 мм и шаг 0,8мм). На рисунке 8.29 показаны конструкции комбинированных нестандартных разъемов. В высокочастотных разъемах в качестве изолятора применяют фторопластовые втулки и спай ковара и стекла.

 

8.9.6.1 Разъемы для внутриблочных соединений.

Наиболее надежным является разъем ГРПМ (гиперболоидный разъем, прямоугольной формы малогабаритный). Контактная гиберболоидная поверхность в паре «штырь-гнездо» образует между гладким цилиндрическим штырем диаметром 1 или2 мм (в зависимости от типа разъема) и несколькими бронзовыми проволочками, расположенными продольно по внутренней поверхности цилиндрического гнезда (под углом 8⁰ к образующей (рисунок 8.30)).

 

Для штыря 1 мм предусмотрено 6 проволочек в гнезде, для штыря 2 мм – 12.

Разъемы ГРПМ рассчитаны на U_раб =1мВ..250В, токи от 1мкА до 3 А(на одну контактную пару) и не менее, чем на 1000 сочленений – расчленений. В зависимости от климатических требований применяются золоченые (индекс в обозначении «1») или посеребренные (индекс «2») контактные пары.

Типовой ряд предусматривает разъемы для объемного (проволочного) монтажа ГРПМ2 (КЕО.364.006 ТУ) и для печатного монтажа ГРПМ1 (КЕО.364.006 ТУ). Вилки разъемов обоих типов состоят из пластмассового корпуса, в который заармированы контактные штыри и два штыря-ловителя по краям. В корпусе розетки предусмотрены гнезда-ловители и контактные гнезда. Ловители нужны для механической разгрузки контактных пар в случае перекоса при сочленении.

 

В аппаратуре бытового назначения в качестве вилки используется концевая печатная вставка.

Число контактов в вилке печатного разъема и соответствующее место расположения ключа следующее:

Число контактов N в разъеме 6 8 12 16 20 24 30 36 44 56

Число контактов n до ключа 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Контакты в разъеме могут располагаться с шагом l_ш= 3мм или l_ш= 4мм

Конструкция вилки показана на рисунке.8.31.

В качестве ответной части используют розетки РГО-44Н ТУ 25-01 ДЯ3.647.018

Ламели покрывают сплавом на основе палладия и серебра.

 

 

Контрольные вопросы.

1. Дайте определение электромагнитной совместимости ЭС.

2. Причина актуальности ЭМС?

3. Что такое «статическая помехоустойчивость» цифровых ИС?

4. Которая ИС более помехоустойчива? С большим или малым перепадом напряжений логического «0» и «1»?

5. Перечислите вероятные источники помех, вероятные приемники (рецепторы) помех.

6. Начертите принципиальную схему ВИПа. Приведите факторы, влияющие на кондуктивные помехи на высоких и низких частотах.

7. Какие Вы знаете виды паразитных связей в ЭС?

8. Какую роль играет «заземление»?

9. Почему каждый корпус цифровых ИС в ТЭЗе по питанию шунтируется конденсатором? Поясните.

10. Какие схемы заземления Вы знаете?

11. Поясните схемы запитки цифровых ИС в ТЭЗе.

12. Почему в аналоговых ФЯ МЭА по сравнению с цифровыми труднее обеспечить помехоустойчивость?

13. Почему действие экрана в электрическом поле бывает отрицательно? В каком случае? Поясните.

14. Какой материал используют для экрана в постоянных и медленно изменяющихся полях и в ВЧ – магнитных полях?

15. Что такое «скин –слой»? Где он учитывается в экранировании?

16. Какие виды линий связи Вы знаете?

17. Назовите параметры линий связи.

18. На каких частотах используются коаксиальные кабели? микрополосковые линии?

19. Какие виды контактирования Вы знаете?

20. Каковы требования к разъемным контактным парам?

21. В чем отличия тонкопленочного монтажа от толстопленочного?

22. Какие пленки больше шумят, выполненные по толстопленочной или тонкопленочной технологии? Поясните почему.

23. Требования к электромонтажу.

24. В каких случаях лучше применять объемный монтаж?

25. Назовите преимущества и недостатки шлейфового монтажа.

26. Каким способом формируются проводники на шлейфе?

27. Назовите марки межблочных и внутриблочных разъемов.

28. Какие факторы учитываются при выборе проводов?

29. Для каких целей используется многожильный провод с изоляцией красного цвета?

30. Преимущества печатного монтажа?

31. Существует линия «кабель РК – разъем - витая пара». В чем будет заключаться согласование?

32. В каких конструкторских документах применяется таблица проводов с головкой «откуда идет – куда поступает»?

33. В чем отличия схемы соединения от электромонтажного чертежа?

34. Какой из электромонтажных документов специфицируется и каким образом?

 

9. ВЛАГОЗАЩИТА И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ

Рассматриваемые вопросы:

9.1. Выбор способа защиты металлических деталей и узлов с учетом требований по электропроводности корпуса изделий.

9.1.1. Основные свойства некоторых металлических и химических покрытий.

9.1.2. Лакокрасочные покрытия.

9.1.3. Выбор защитного покрытия.

9.2. Герметизация.

9.2.1. Защита изделий изоляционными материалами.

9.2.2. Герметизация с помощью герметичных корпусов.

9.3. Примеры конструкций средств защиты.

9.4. Выбор способа защиты от взрыво- и пожароопасной среды.

 

9.1. Выбор способа защиты металлических деталей и узлов с учетом требований по электропроводности корпуса изделий

В качестве конструкционных материалов для деталей и узлов радиоэлектронной аппаратуры широко применяют металлы. Номенклатура металлов необычно велика: это различные марки углеродистых сталей, алюминиевые сплавы, магниевые сплавы, медные сплавы (латуни и бронза), и многие другие материалы.

В процессе эксплуатации поверхности металлических деталей радиоэлектронной аппаратуры под влиянием влаги и атмосферных загрязнений могут разрушаться; это разрушение называют атмосферной коррозией. Атмосферная коррозия происходит под тонкой пленкой влаги на поверхности изделия в присутствии кислорода, воздуха. Из-за малого количества воды концентрация ионов в растворе оказывается значительной. Смывание продуктов коррозии не происходит, они остаются в месте разрушения, сцепляются с поверхностью. поэтому химическая стойкость металлических изделий определяется защитными свойствами продуктов коррозии.

На алюминиевых, титановых и магниевых сплавах, на бронзе (особенно бериллиевой) быстро возникает окисная пленка, которая существенно замедляет химическую (атмосферную) коррозию, т. е. эти металлы (сплавы) обладают хорошей коррозийной стойкостью. Но коррозию алюминия вызывают фенол (входящий состав фенольных пластмасс) и фунгициды на основе ртутных соединений (применяются в тропикоустойчивой радиоэлектронной аппаратуры против плесени).

Латунь не требует защиты, только при средней влажности воздуха, коррозирует в контакте с термореактивными пластмассами и ртутными соединениями (фунгицидами).

Детали из малоуглеродистой стали легко подвергаются атмосферной коррозии. При этом скорость коррозии существенно зависит от температуры: при повышенной температуре с 20-60°С. Коррозия возрастает в пять раз, поэтому детали из малоуглеродистой стали можно применять только после нанесения на них защитного покрытия. Исключения составляют нержавеющие стали. Второй причиной быстрого разрушения поверхностей металлических деталей может быть контактная коррозия, которая возникает при воздействии влаги на место соединения двух разнородных металлов. Влага с содержащимися в ней газами и солями различных веществ образует электролит. Разнородные металлы при взаимодействии с электролитом по разному отдают ему свои электроны. Таким образом, в результате взаимодействия двух разнородных металлов и электролита образуется гальванический элемент и по детали текут токи, величина которых зависит от разности электронных потенциалов двух металлов.

При этом металл, имеющий более отрицательный потенциал, ведет себя как анод в гальванической ванне и разрушается.

Если на поверхность детали нанести покрытие из металла, имеющего более отрицательный потенциал, чем у основного металла детали, то при воздействии влаги в первую очередь будет разрушаться металл покрытия, а основной металл детали разрушаться не будет. Такое покрытие называется анодным и оно хорошо защищает материал детали от коррозии.

Покрытие, материал которого имеет более положительный потенциал, чем у основного металладетали, называют катодным. Такое покрытие защищает металл от коррозии только механически. При образовании в слое покрытия даже незначительного разрушения (например, царапины) и проникновения в него влаги начинается контактная коррозия, при которой разрушению подвергается металл, имеющий более отрицательный электронный потенциал, т.е. металл детали. При катодном покрытии разрушение детали может идти даже интенсивнее, чем при отсутствии покрытия.

Наиболее широко применяемые металлы имеют электродные потенциалы в пределах – 1,55 В (магний) до + 1,5 В (золото). И чем дальше в электрохимическом ряду напряжений разнесены друг от друга металлы, т.е. чем больше между ними разность потенциалов, тем больше вероятность контактной коррозии. Металлы с близкими электрохимическими потенциалами могут применятся в контакте друг с другом.

Алюминий-магний является нежелательной парой. При контактных соединениях коррозируют магниевые сплавы. Магниевые сплавы в сильной степени подвержены контактной коррозии со всеми металлами, поэтому зону соединениями надо тщательно защищать от влаги несколькими слоями грунта, шпатлевки и краски.

Алюминий-сталь могут использоваться в контакте благодаря небольшой разности потенциалов.

Пара алюминий-медь недопустима. Даже в слабоагрессивной среде контакт алюминиевых сплавов с медными вызывает сильную карозию алюминия. Анодирование алюминия не исключает коррозии. Контактирование алюминиевых сплавов с латунями и бронзами также должно быть исключено.

Пары титановые сплавы – алюминиевые допустимы при всех случаях, за исключением погружения в морскую воду, где титан усиливает коррозию алюминия.

Очень важно правильно подобрать материалы для клепанных соединений. Нельзя допускать чтобы заклепки имели более отрицальный потенциал по сравнению с материалом соединяемых деталей и чтобы разность потенциалов была чрезмерно большой. Например соединения деталей из магниевых сплавов целесообразно производить заклепками из алюминиевое- магниевого сплава АМ-5. типа дюральалюминия, содержащих медь и вызывающих сильную коррозию алюминиевых сплавов.

Таким образом, для защиты деталей от разрушения их поверхности покрывают материалами более стойкими к воздействию разрушающих факторов. По назначению все покрытия можно разделить на защитные, защитно-декаративные и специальные.

Защитные покрытия предназначены для защиты от коррозии, старения, высыхания, гниения и др. процессов, вызывающих выход аппаратуры из строя.

Защитнодекаративные покрытия на ряду с обеспечением защиты деталей придают им красивый внешний вид.

Специальные покрытия придают поверхности деталей особые свойства или защищают их от влияния особых сред.

Все покрытия по способу получения разделяют на металлические и не металлические.

Металлические покрытия – покрытия, нанесенные горячим способом, гальванические, дифуззионные, и металлические на диэлектриках. Неметаллические покрытия – покрытия лаками, эмалями, грунтовками, а также противокорозийное покрытие пластмассами.

Выбор того или иного вида покрытия в каждом конкретном случае зависит от материала детали, ее функционального значения и условий эксплуатации.