Уровни разукрупнения ЭС. Современные и перспективные конструкции электронных средств

Уровни разукрупнения ЭС в немодульном исполнении по конструк­тивной сложности могут быть представ­лены в виде следующей цепочки (сверху вниз): шкаф → блок → ячейка [22].

Шкаф - это РЭС (или ЭС), представляющее собой совокупность вхо­дящих в него электронных устройств и устройств, без которых невозможна его эксплуатация, выполненное на основе несущей конструкции третьего уровня.

Несущая конструкция - это элемент или совокупность конструк­тивных элементов, предназначенных для размещения составных частей изде­лия, а также для обеспечения их конструктивной целостности и неизменно­сти в соот­ветствии с конструкторской документацией [40, 41].

· Несущая конструкция первого уровня – это несущая конструкция РЭС (или ЭС), предна­значенная для размещения печатных плат, изделий электронной техники и электротехнических изделий. Примерами несущих конструкций первого уровня являются: ячейка, кассета и др.

· Несущая конструкция второго уровня – это несущая конструкция РЭС (или ЭС), предна­значенная для размещения РЭС (или ЭС), выполненного на основе несущей конструкции пер­вого уровня. Примерами несущих конст­рукций второго уровня являются: блок, вставной блок, блочный каркас и др.

· Несущая конструкция третьего уровня – это несущая конструкция РЭС (или ЭС), предна­значенная для размещения РЭС (или ЭС), выполнен­ного на основе несущей конструкции второго или первого уровня. Приме­рами несущих конструкций третьего уровня являются: шкаф, стойка, стел­лаж, рама, пульт оператора, приборный стол и др. В отдельных случаях стойка или рама может быть установлена в шкаф.

Блок - это РЭС (ЭС), или радиоэлектронный (электронный) функцио­нальный узел, выполненное (выполненный) на основе несущей конструк­ции первого или второго уровня. Согласно ГОСТ 2.701-84 бло­ком называют часть прибора, выполненную в виде отдельной законченной конструкции.

С точки зрения фун­кционирования, блок – это часть ЭУ, выполняющая частную целевую функцию, фун­кционально законченная, но автономно не эксплуатируемая; например, блок питания. Блок может быть конструктивно законченным, но может и входить как часть конструкции в устройство. Суб­блок - это часть блока, выполняющая функцию его отдельного тракта, на­пример усилителя промежуточной частоты.

Ячейка – это радиоэлектронное (электронное) устройство или радиоэлек­тронный (электронный) функциональный узел, выполненное (выполнен­ный) на основе несущей конструкции первого уровня.

Модульное исполнение РЭС (или ЭС) это метод создания РЭС (или ЭС) на основе электронных модулей.

Электронный модуль (ЭМ) это конструктивно и функционально закон­ченное радиоэлектронное (электронное) устройство или радиоэлектронный (электронный) функциональный узел, выполненное (выполненный) в мо­дуль­ном или магистрально-модульном исполнении с обеспечением конструк­тивной, электрической, информационной совместимости и взаимозаменяе­мости.

При модульном исполнении ЭС используют системы базовых несущих конструкций (БНК), находящихся в определенной соподчиненности на ос­нове единого размерного модуля и оптимальной технологии производства. Они предназначены для создания оптимальных компоновок ЭС с учетом функциональных, механических, тепловых факторов, требований эргоно­мики и ремонтопригодности [3]. Размерный модуль - это трехмерное ком­поновочное пространство, высота, ширина и длина которого кратны базо­вому шагу [40].

Уровни разукрупнения РЭС (ЭС) в модульном исполнении по конст­рук­тивной сложности могут быть представ­лены в виде следующей цепочки (сверху вниз):

модули третьего уровня → модули второго уровня →

→модули первого уровня → модули нулевого уровня [22].

· Электронный модуль третьего уровня (ЭМЗ) - это электронный модуль, выполненный на основе базовой несущей конструкции третьего уровня ра­диоэлектронного средства.

· Электронный модуль второго уровня (ЭМ2) - это электронный модуль, выполненный на основе базовой несущей конструкции второго уровня ра­диоэлектронного средства.

· Электронный модуль первого уровня (ЭМ1) - это электронный модуль, выполненный на основе базовой несущей конструкции первого уровня ра­диоэлектронного средства.

· Электронный модуль нулевого уровня (ЭМ0) - это электронный вы­полненный на основе изделий электронной техники и электротехнических изделий, размерно координируемый с базовой несущей конструкцией пер­вого уровня радиоэлектронного средства.

· Более подробно системы базовых несущих конструкций (БНК) рас­смотрены нами в разделе 8.2.

Для конкретного ЭС некоторые из конструктивов могут отсутствовать. Каждый конструктив последующего уровня состоит из нескольких конструктивов предыдущего уровня, размещаемых в некоторой несущей конструкции (каркасе) и соединяемых между собой проводным монтажом, печатными соединениями, гибкими шлейфами, печатными объединительными платами и т.п. Стойки и шкафы обыкновенно объединяются кабельными соединениями [31].

Названия типовых составных частей ЭС зафиксировано стандартами. В соответствии с ГОСТ 2.701-84 для обозначения составных частей ЭС должны использоваться следующие термины:

- часть радиоэлектронного устройства, выполняющая определенную функцию и которую нельзя разделить на части, имеющие самостоятельное функциональное назначение, называют элементом;

- совокупность элементов, представляющих единую конструкцию, называют устройством;

- совокупность элементов, не объединенных в единую конструкцию, но выполняющих совместно определенную функцию в изделии, называют функциональной группой;

- часть прибора, выполненную в виде отдельной законченной конструкции, называют блоком. Некоторые блоки (например, усилитель мощности, блок питания) имеют самостоятельное функциональное назначение, другие (например, блоки, объединяющие в своем составе элементы разных функциональных групп) могут его не иметь.

В конструкциях ЭС I поколения на электронных лампах, выпускаемых примерно до 1955 года, применялся блочный метод компоновки, который заключался в выпол­нении конструкций крупных частей схемы в виде моноблоков, чаще всего без кожухов, компонуемых в стойках и фермах и коммутируемых проволочно-жгутовым монтажом. Недостатками конструкций этого поколения бы­ли большие масса и габариты, малая унификация, неразвитая эксплуатационная взаимозаменяе­мость и низкая надежность. Значения величин плотности компоновки элементов в стойке (шкафу) в конструкциях ЭС I поколения находятся в пределах (0,01..0,05) элем./см³. При крупносерийном производстве перешли к расчленению всей конструкции на унифицированные функциональные узлы – УФУ, выполненные в виде плоски и объёмных модулей и микромодулей.

С появлением в 1954 г. II поколения конструкций ЭС на транзисторах стали изготовлять транзисторные УФУ. Вместо блочного метода компоновки перешли к функциональ­но-узловому, а вместо проволочно-жгутового монтажа перешли к печатному. В это время возникло новое направление в конст­руировании ЭС - миниатюризация аппаратуры. Уменьшились размеры и массы ЭРЭ. Появились новые кон­струкции функциональных узлов: модули и микромодули с плотностью упаковки элементов в объеме до 1,5...2 элем./см³. В УФУ удалось унифицировать размеры микромодулей, приняв их размеры в двух измерениях постоянными. Модули различной сложности стали отличаться размерами только в третьем измерении. Однако сохранение за дискретными ЭРЭ главной роли основного конструктивного элемен­та с частотой отказов 10^-6 ч^-1 не смогло существенно увеличить надежность сложных ЭС. Ремонтопригодность стала меньше, чем у блоков I поколения, так как при выходе из строя одного элемента приходится заменять целый модуль. Значения величин плотности компоновки элементов в конструкциях ЭС II поколения находятся в пределах: в плоских модулях - (0,1.. 0,3) элем./см³; в объёмных модулях - (0,7..0,9) элем./см³; в микромодулях - (4..10) элем./см³; в блоке - (0,05..2,5) элем./см³; в стойке (шкафу) - (0,02.. 0,5) элем./см³ [2, 3].

Третье поколение ЭС выпускается примерно с 1962 года и характеризуется (рисунок 8.1) применением корпусированных ИС первой и второй степени интеграции (малых ИС - МИС) и миниатюрных ЭРЭ на двусторонних или на многослойных печатных платах с высокой разрешающей способностью - до 0,3 мм.

Степень интеграции ИС K характеризуется числом содержащихся в ней элементов и компонентов N:

K = lg N. (8.1)

Согласно формуле (2.1) в ИС первой и второй степени интеграции содержится от 10 до 100 элементов и компонентов. Конструкции, подобные изображённой на рисунке 8.1, наиболее характерные для цифровых устройств, получили название внача­ле субблоков, а позднее - функциональных ячеек и функциональных модулей. Ячейки ЭВМ, выполненные по принципу базовых несущих конструк­ций (БНК), называют типовыми элементами замены (ТЭЗ). К досто­инствам таких конструкций относятся: легкосъёмность и ремонтопри­годность, сравнительно легкий тепловой режим, нерастянутые сроки разработки и производства, невысокая стоимость изделий. Приме­нение ИС позволяет резко повысить надежность. Так, частота отказов одной ИС, содержащей порядка 100 элементов, примерно равна частоте отказов одного дискретного ЭРЭ (10^-6 ч^-1). Интегральные ЭС проектируются на новых принципах схемотехники-микросхемотехни­ки, что наглядно видно из сравнения аналогов ЭС I, II и III, IV поколений (таблица 8.1). Однако применение корпусированных ИС приводит к значительной потере объёма ЭС. Увеличение плотности упаковки ограничивается шагом выводов ИС (2,5 мм) и шириной проводников и зазоров (0,15 мм). Значения величин плотности компоновки элементов в конструкциях ЭС III поколения находятся в пределах: в функциональных ячейках на гибридных ИС (30..40) элем./см³; в функциональных ячейках на полупроводниковых ИС (100..500) элем./см³; в блоке - (3,5..10) элем./см³; в стойке (шкафу) - (0,5..2) элем./см³ [2, 3].

В ЭС четвёртого поколения для дальнейшего уменьшения массы и габаритов устройств отказались от индивидуальных корпусов ИС. В ЭС четвёртого поколения для компоновки ИС иногда используют многослойные и гибкие печатные платы, а иногда вместо печатных плат под­ложки. Иными словами, вместо того чтобы разваривать бескорпусные транзисторы на малых подложках и получать гибридную ИС, стали делать то же самое, но с бескорпусными ИС на более круп­ных подложках, т.е. получать БГИС, или микросборку -МСБ.

 

Таблица 8.2 - Сопоставление ЭС на дискретных ЭРЭ и интегральных ЭС [2]

 

ЭС на дискретных ЭРЭ	Интегральные ЭС
Генераторы радио- и СВЧ-частот на ЭВП и дискретных полупроводниковых приборах	Генераторные и усилительные ИС радио- и СВЧ-частот со сложением мощности на общей нагрузке
Антенны СВЧ зеркального типа с сосредоточенным питанием	Антенные фазированные решетки (АФР) с распределенным питанием и сложением мощности в пространстве
Электромеханический привод антенны (механическое сканирование диаграммы направленности антенны)	ЭВМ управления фазой АФР (электрон­ное сканирование диаграммы направлен­ности антенны)
Усилители радиочастот с распределен­ной избирательностью	Усилители радиочастот на ИС с сосредо­точенной избирательностью
Частотно-избирательные узлы индуктив­но-емкостного типа на дискретных катушках индуктивности и конденсаторах	Активные RС-фильтры, интегральные пьезофильтры, фильтры ПАВ, цифровые фильтры на БИС
Интеграторы аналогового типа	Цифровые накопители на БИС
Запоминающие устройства (ЗУ) на ферритовых кольцах и пластинах	Полупроводниковые ЗУ БИС, ЗУ на ЦМД, ПЗС на приборах Джозефсона
Аналоговые устройства автоматики	Цифровые устройства на БИС, СБИС, микропроцессорах
Электронно-лучевые трубки	Матричные экраны на ПЗС, светодиодах и электролюминесцентных пленках
Реле и трансформаторы электромагнит­ные	Реле и трансформаторы бесконтактные оптронные
Радиочастотные кабели	Световоды, волоконная оптика

 

В ЭС четвёртого поколения для дальнейшего уменьшения массы и габаритов устройств отказались от индивидуальных корпусов ИС. В ЭС четвёртого поколения для компоновки ИС иногда используют многослойные и гибкие печатные платы, а иногда вместо печатных плат под­ложки. Иными словами, вместо того чтобы разваривать бескорпусные транзисторы на малых подложках и получать гибридную ИС, стали делать то же самое, но с бескорпусными ИС на более круп­ных подложках, т.е. получать БГИС, или микросборку - МСБ.

МСБ по технологическому исполнению не отличаются от ГИС, а по функциональной сложности и степени интеграции соответствуют средним ИС (СИС) или ГИС. Однако, в отличие от ГИС, МСБ не выпускаются для широкого при­менения, а предназначены для частного при­менения. В состав МСБ могут входить одновременно и корпусированные и бескорпусные элементы - ЧИПы. МСБ заменила собой целую печатную плату (см. рисунок 8.1, вер­хний правый угол), и поскольку компоновка МСБ в ячейку и далее в блок тоже требовала компактности, сами МСБ стали бескорпусными, а блок - герметичным. Плотность компоновки в ЭС в блоках четвёртого поколения велика (больше чем 100 элем./см³ в блоках и больше чем 1500 элем./см³ в БИС запоминающих устройств), но ремонтопригодность мала, так как при выходе из строя одного элемента при ремонте приходится либо разгерметизировать весь блок, либо заменять его.

К недостаткам конструкций ЭС IV поколения относятся повышенная теплонапряженность в бло­ках и необходимость введения дополнительных теплоотводов (метал­лических рамок), незащищенность бескорпусных элементов и компо­нентов МСБ от факторов внешней среды и необходимость полной гер­метизации корпусов блоков с созданием инертной газовой среды внут­ри них, высокая стоимость, более длительные сроки разработки из-за необходимости разработки са­мих МСБ.

Фрагмент конструкции компьютерной функциональной ячейки IV поколения показан на рисунке 8.2.

Общие тенденции развития кон­струкций ЭС:

1) миниатюризация элементов и компонентов конструкций ЭС и повышение их надежности;

2) унификация и стандартизация функциональных узлов;

3) непрерывный рост интеграции конструкций и внедрение элементов и узлов функциональной электроники;

4) внедрение автоматизации разработок конструкций РЭС и автома­тизированных способов их изготовления. Появление новой элемен­тной базы (приборов функциональной микроэлектроники, сверхбольших ИС, микрокорпусов ИС), но­вых несущих оснований (печатных плат из материалов с разрешающей способностью до 0,1 мм и без металли­зированных отверстий), но­вых способов сборки и монта­жа (групповой автоматизиро­ванной сборки и пайки), но­вых принципов компоновки устройств из суперкомпонентов (интеграции на целой пластине - ИЦП) привело к созда­нию еще более компакт­ных и надежных ЭС. Конструкции та­ких устройств, выполненные по принципам монтажа на по­верхность и интеграции на целой пластине, можно отне­сти к V поколению [2, 3].

Иногда конструкции ЭС одновременно имеют признаки разных поколений. Например, в конструкции ячейки IV поколения, показанной на рисунке 8.2, её исполнение по принципам монтажа на по­верхность, можно отне­сти к признакам конструкции V поколения.

 

8.2 Основы стандартизации. Унификация конструкций изделий

 

Стандартизация [1] - это образец, эталон, модель, принимаемые за исходные для сопос­тавления с ними других подобных объектов. Стандартизация является одним на важнейших методов ограни­чения разнообразия и регламентирования единства в различных об­ластях науки и техники), в том числе и при проектировании ЭС.

Согласно определению международной организации по стандар­тизации ИСО, стандартизация - это деятельность, направленная на достижение оптимальной степени упорядоченности в определённой области посредством установления положений для все­общего и многократного применения в отношении реально существую­щих или потенциальных задач.

В 1967 году для осуществления работ по стандар­тизации в стране была соз­дана Государственная система стандартов (Госстандарт). В 1992 году Госстандарт преобразован в Государственный комитет Российской феде­рации по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарт России), который определил в ГОСТ P1.0-92 цели стандартизации и ответственность за несоблюдение стандар­тов. Федеральный закон о техническом регулировании № 184-3.- М.: 2002, отменивший ГОСТ P1.0-92 в связи с развитием в России рыночных отношений, утверждает, что стандартизация осуществляется в целях [39]:

· повышения уровня безопасности жизни граждан, безопасности объектов, экологической безопасности и содействия соблюдению требований технических регламентов;

· обеспечения научно-технического прогресса и повышения конкурентоспособности продукций, работ и услуг;

· рационального использования ресурсов;

· технической и информационной совместимости;

· сопоставимости результатов исследований (испытаний) и измерений, технических и экономико-статистических данных;

· взаимозаменяемости продукции.

Стандартизация также позволяет [38]:

· сократить время проектирования изделий и внедрения их в производство и в эксплуатацию;

· улуч­шить экономические показатели производства, в частности, снизить стоимость продукции;

· устранить технические барьеры в производстве и торговле и обеспечить эффективное участие государства и частных предпринимателей в межгосударственном и междуна­родном разделении труда; сюда входят специализация и кооперация в масштабах предприятия, отрасли, государства и между различными государствами;

· повысить степень соответствия продукции, процессов и услуг их функциональному назначению;

· защитить интересы потребителей и государства в вопросах но­менклатуры и качества продукции услуг и процессов;

· повысить качество продукции в соответствии с развитием науки и техники, с потребностями населения и народного хозяйства.

По Федеральному закону стандартизация осуществляется в соответствии с принципами:

· добровольного применения стандартов (в отличие от ранее действующих в России предписаний, в которых была предусмотрена и уголовная ответственность за выпуск продукции, не соответствующей стандартам);

· максимального учета при разработке стандартов законных интересов заинтересованных лиц;

· применения международного стандарта как основы разработки национального стандарта. Последнее положение применимо, за исключением случаев, когда такое применение признано невозможным вследствие несоответствия требований международных стандартов климатическим и географическим особенностям Российской Федерации, техническим и (или) технологическим особенностям или по иным основаниям, либо Российская Федерация в соответствии с установленными процедурами выступала против принятия международного стандарта или отдельного его положения;

· недопустимости создания препятствий производству и обращению продукции, выполнению работ и оказанию услуг в большей степени, чем это минимально необходимо для выполнения целей, указанных в Федеральном законе;

· недопустимости установления таких стандартов, которые противоречат техническим регламентам;

· обеспечения условий для единообразного применения стандартов.

К документам в области стандартизации, используемым на территории Российской Федерации, относятся:

· национальные стандарты;

· правила стандартизации, нормы и рекомендации в области стандартизации;

· применяемые в установленном порядке классификации, общероссийские классификаторы технико-экономической и социальной информации;

· стандарты организаций.

Объектом стандартизации является предмет (продукция, про­цесс, услуга), подлежащий или подвергшийся стандартизации. Нормативное обеспечение технической политики в области стандартизации основывается на за­конодательных актах, стандартах, технических условиях.

Стандарт - нормативный документ по стандартизации, разра­ботанный, как правило, на основе согласия большинства заинтересо­ванных сторон и утверждённый признанным органом или предприятием, в котором могут устанавливаться для всеобщего пользования правила, общие принципы, характеристики, требования или методы, касающиеся определённых объектов стандартизации, и который направлен на пос­тижение оптимальной степени упорядочения в определённой области

Устанавливаются следующие виды норма­тивных документов:

· национальный стандарт - стандарт, принятый органом по стандартизации одной страны, например государственный стандарт Российской Федерации (ГОСТ Р), утвержденный Госстандартом России;

· отраслевой [2] стандарт (ОСТ) - стандарт, утверждённый министер­ством (ведомством) Российской Федерации;

· стандарт предприятия (СТП) - стандарт, утвержденный предприя­тиям и применяемый только на данном предприятии;

· технические условия (ТУ) - нормативный документ на конкретную продукцию (услугу), утверждённый предприятием - разработчиком, как правило, по согласованию с предприятием - заказчиком (потребите­лем). При разработке на продукцию комплекта технической документа­ции ТУ являются неотъемлемой частью этого комплекта;

· международный стандарт - стандарт, принятый международной ор­ганизацией по стандартизации;

· региональной стандарт - стандарт принятый региональной международной организацией по стандартизации;

· межгосударственный стандарт (ГОСТ) - региональный стандарт, принятый государствами, присоединившимися к соглашению о проведе­нии согласованной политики в области стандартизации, метрологии и сертификации;

· комплект стандартов - совокупность взаимосвязанных стандартов, объединённых общей целевой направленностью и устанавливающих согласованные требования к взаимосвязанным объектам стандартиза­ции.

В технической документации используется 27 систем государственных стандартов, но наиболее часто при проектировании ЭС применяют стандарты систем: ГОСТ 2. Единая система конструкторской документации (ЕСКД) и ГОСТ 3. Единая система технологической документации (ЕСТД). Правила разработки и оформления конструкторской документации РЭС с учётом стандартов подробно описаны в [11].

Если изделие, например функциональное устройство (ФУ), применяют по ГОСТ, РСТ, ОСТ или СТП, то такое изделие считается стандартным. Прочими (нестандартными) считаются изделия, применяемые по техническим условиям.

Исходя из определения стандартизации, к методам стандарти­зации и радиотехнической промышленности следует отнести не только непосредственное использование различных стандартов, но и конст­руктивную преемственность, отраслевую стандартизацию, повторяемость, а также типизацию, в которую органически входят унификация, секционирование и агрегатирование.

Конструктивная преемственность - это требование, предусматривающее целесообразное использование во вновь разработанном изде­лии выпускающихся или выпускавшихся ранее ФУ, деталей и узлов [38]. К примеру, у большинства телевизоров и компьютеров сходная элементная база, а также конструктивная и схемотехничес­кая основа.

Отраслевая стандартизация - это рациональное ограничение в пределах данного предприятия или отрасли промышленности типов и номиналов РК, типо­размеров конструкций, материалов, полуфабрикатов, режущего и из­мерительного инструмента и других норм. Документами, регламентирующими эти ограничения в указанных пределах, являются ОСТы и СТП. Требования отраслевой стан­дартизации наиболее широко применяется к ФУ, платам, монтажным лепесткам и т.д.

Повторяемость - требование использования в изделии по воз­можности большего количества одинаковых ФУ, элементов конструк­ции и крепежа. Это облегчает работу отделов комплектации, сборку и ремонт изделия.

Типизация - метод стандартизации, заключающийся в применении при проектировании ФУ и ЭС типовых конструктивных, технологических, орга­низационных и других решений.

Высшей формой типизации является унификация. Унификация - это выбор оптимального числя разновид­ностей продукции, процессов и услуг, значений их параметров и размеров. Наиболее часто унификация используется для объектов одинакового функционального назначения [38, 40 - 47]. Под унификацией печатных узлов, несущих конструкций ЭС, ФУ и ЭРЭ понимается приведение их различных видов к рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств и т.п. Степень унификации при разработке оценивают коэффициентом унификации К_у, который представляет отношение количества унифицированных деталей N_у к общему числу деталей в, изделии N (К_у= N_у /N). Подробно вопросы унификации несущих конструкций рассмотрены в разделе 2.3.

Агрегатирование - метод стандартизации, направленный на создание изделий путем их сборки из ограниченного количества стан­дартных или унифицированных деталей, ФУ, агрегатов. Эти унифициро­ванные детали, ФУ и агрегаты могут быть использованы при создании различных модификаций ЭС и должны обладать взаимозаменяемостью.

Секционирование - предполагает деление ФУ и ЭС на секции с унифицированными размерами.

Конечно, любые ограничения приводят к уменьшению степени свободы разработчиков, конструкторов. Однако рациональное ограни­чение не ухудшает качество разрабатываемого изделия, а, повышая степень унификации, уменьшает номенклатуру используемых материа­лов, комплектующих и, тем самым, повышает эффективность производст­ва.

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: