Защита блоков МЭА от механических воздействий

При эксплуатации и транспортировке на МЭА, действуют вибрации, удары и линейные ускорения. Так, например, вибрации характеризуется перегрузками, достигающими 30g в диапазоне частот от 30 до 5000 Гц, а линейные ускорения и удары – перегрузками до 50g. Действие этих факторов может привести к поломке выводов, подложек микросхем, возникновению в них усталостных напряжений, разрушению контактов и герметизации блоков.

Особенностью МЭА по сравнению с обычной РЭА является её повышенная виброустойчивость, вибро- и ударопрочность. Объясняется это следующим. Во-первых, поскольку частоты собственных колебаний радиоэлектронного аппарата, определяемые выражением ƒ_0i = 1/2π*√k_i /m_i, где k_i, m_i - соответственно жёсткость крепления и массы i-ых элементов конструкции, при заметном уменьшении масс и увеличении жёсткости крепления элементов МЭА значительно возрастает, то это приводит к уменьшению числа опасных низкочастотных резонансов. Опасность низкочастотного резонанса в РЭА проявляется в резком увеличении амплитуды колебаний тел при вынужденной вибрации, определяемой выражением А= 250n /ƒ², мм, где n - величина перегрузки, ƒ – частота вибрации, Гц. Во-вторых, для МЭА и её элементов при линейных ускорениях и ударах, значительно уменьшаются разрушающие силы F_i= n*m_i*g, поскольку массы элементов конструкции опять-таки имеют малые величины.

Степень защиты МЭА от механических воздействий во многом зависит от прочности ГИС и методов их крепления в металлических рамках ячеек.

Прочность ГИС от воздействия ударов и вибраций, в основном определяется прочностью выводов навесных активных бескорпусных элементов и перемычек. На подложке типовой ГИС устанавливается обычно несколько десятков бескорпусных полупроводниковых приборов и перемычек. Каждый полупроводниковый прибор имеет по несколько выводов. Вибропрочность выводов определяется их длиной и консольностью. Допустимыми считается размеры перемычек и выводов по длине L ≤ 100d и консольности c ≤ 10d, где d- диаметр проводника, обычно равный 0,05 мм. Выводы и перемычки не должны иметь перегибов, а разварка их на подложке должна осуществляться без натяга. При этом допускаемые нормальные напряжения усилий на разрыв не должны превышать при вибрациях 2кг/мм², при линейных ускорениях 4,3 кг/мм² и ударах 7,2 кг/мм².

Установлено, что ГИС, обладающие запасом вибропрочности, заведомо прочны к воздействиям ударов и линейных ускорений. При вибрациях на низких частотах наиболее опасны для ГИС амплитуды изгибных колебаний, приводящие к отрыву выводов, а на верхних частотах - виброскорости колебаний, создающие усталостные напряжения в элементах ГИС. Приняты следующие ограничения по амплитуде изгибных колебаний подложек ГИС и допустимые виброскорости соответственно А ≤ 0,3 мм и J ≤ 800 мм/с.

Расчет виброчности ячейки, как несущей конструкции ГИС, сводится к определению собственной частоты ячейки, сравнению её со значениями частот, определяемых из условий допустимой амплитуды и виброскорости в заданном в диапазоне частот внешних вибраций к выбору того или иного типа крепления ГИС в ячейки по заданным величинам. Тип крепления ГИС в ячейки определяет её коэффициент динамичности β. Коэффициент динамичности показывает, в какое число раз конструкция ячейки усиливает внешние колебания. Чем меньше коэффициент динамичности, тем слабее нежелательные резонансные свойства ячейки.

В разделе 4 показаны основные типы ячеек с разными коэффициентами динамичности.

Расчет собственной частоты ячейки может быть проведен приблизительно по формуле:

ƒ₀≈ (1/2π)*(π(1+ a²/b²)/a²)*√k/m,

где а и в - длина и ширина ячейки,

k-жесткость ячейки, соответствующая жесткости платы рамки,

m - приведенная погонная масса ячейки.

Допустимые значения собственной частоты ячейки из условий максимально возможных амплитуды и виброскорости могут быть найдены из следующих соотношений:

ƒ₀₁= 1/2π*√β*n*g/A,

ƒ₀₂= 1/2π* β*n*g/J.

где n - величина перегрузки при вибрациях,

g - ускорение силы тяжести м/с².

Определение эффективности вибропрочности того или иного типа ячейки при заданных параметрах внешних вибраций удобно проводить по номограмме. Номограмма представляет собой ряд графиков, построенных в координатах « величина перегрузки – частота ». Ломанные линии, образующие семейство графиков для различных коэффициентов динамичности ячеек, получены расчетным путем по формулам выше из условий допустимых значений амплитуды А ≤ 0,3 мм, и виброскорости J ≤ 800 мм/с. Причём левые части кривых соответствуют первому условию, а правые (более пологих ) – второму. В точке излома выполняются оба условия вместе. Таким образом, область, ограниченная кривой графика сверху является областью нормального обеспечения вибропрочости. Ступенчатая кривая отображает заданные параметры внешних вибраций (величины перегрузок в определённых диапазонах частот). После определения собственной частоты ячейки необходимо из расчетной точки восстановить перпендикуляр и сравнить уровень перегрузок на этой частоте для внешних вибраций (ступенчатая кривая) и допустимый уровень перегрузок ячеек (ломаная кривая с выбранным β). Если первый уровень выше второго, то из семейства ломанных кривых надо выбрать такой, где его условие будет нарушено, т. е. принять тип ячейки с меньшим β, который обеспечит требуемую вибропрочность.

В заключении остановимся на некоторых вопросах применения амортизаторов в МЭА. В связи с малой массой блоков МЭА прогиб амортизаторов Z₀, мм под действием силы тяжести блока становится весьма незначительным, это приводит к увеличению собственной частоты системы амортизируемых тел ƒ_0A= 15,8/√ Z₀, Гц и резкому уменьшению частот вынужденных и собственных колебаний ƒ/ƒ_0A. Последнее значительно ухудшает эффективность амортизации (обычно выбирают ƒ_0A в 10 раз меньше ƒ, при этом эффективность составляет 99,9 %). По этой причине применение амортизаторов в МЭА, как правило, нецелесообразно. При существующей тенденции уменьшения габаритов и весов блоков одновременно должны выполняться требования по уменьшению этих показателей амортизаторов. Однако стремление выполнять эти требования приводит к низкой эффективности амортизаторов из-за неспособности снизить ударные перегрузки при их длительности более 0.015 сек и наличия резонансных частот амортизаторов в рабочем диапазоне вибраций МЭА. Поэтому надо признать, что наиболее эффективным средством защиты блоков МЭА и их компонентов от механических воздействий в настоящее время является демпфирование микросхем в ячейках с помощью вязко - упругого компаунда типа КТ-102, выполняющего одновременно функции клея. Оптимальная толщина клеевого соединения составляет 0,1…0,3 мм. Степень демпфирования пропорциональна площади склеивания, которая может быть увеличена также за счёт многослойного склеивания.

Крепление блоков и устройств МЭА на объекте должно быть жёстким, на коротких и толстых болтах либо с помощью скоб. Однако в тех случаях, когда масса блока МЭА сравнима с массой блоков обычных РЭА, возможно применение демпфированных амортизаторов типов АПК, ДК-А и тросовых амортизаторов.

Контрольные вопросы.

1. Что такое тепловой режим блока?

2. Какими способами осуществляется передача тепловой энергии в ЭС?

3. Запишите закон Ньютона при передачи тепла конвекцией.

4. Зачем при обеспечении теплового режима в блоке переходят к принудительной конвекции?

5. Если разрежен воздух, то какие конструктивные методы используют для обеспечения теплового режима в устройстве?

6. Поясните принцип отвода тепла излучением.

7. Зачем обычно радиатор выполняют чёрного цвета с применением химических чернил?

8. Как зависит передача тепла с помощью теплопроводности от длины пути теплового потока?

9. Каковы особенности тепловых режимов блоков МЭА?

10. Какие материалы выбираются для теплоотвода от нагревающихся компонентов?

11. Каковы рекомеданции конструктору при компоновке блоков МЭА для обеспечения нормального теплового режима?

12. Какие Вы знаете методы расчёта тепловых режимов устройств?

13. Учитывая электротепловую аналогию, что является аналогом разности температур?

14. Когда применяется метод однородного тела для расчёта теплового режима, каким требованиям должен отвечать блок МЭА?

15. Какие Вы знаете механические воздействия на ЭС?

16. Что значит перегрузка на аппарат составляет 10 единиц?

17. Приведите АЧХ амортизационной системы.

18. Дайте определения вибропрочности и виброустойчивости ЭС.

19. ФУ на ПП вошёл в механический резонанс. Предложите конструктивные мероприятия, которые позволят выйти из резонанса.

20. Какие типы амортизаторов Вы знаете?

8. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ ЭС

Рассматриваемые вопросы:

8.1. Проблема ЭМС.

8.2. Факторы, влияющие на ЭМС элементов и узлов ЭС.

8.3. Наиболее вероятные источники и приемники наводимых напряжений (наводок).

8.4. Основные виды паразитных связей.

8.4.1. Паразитная связь через общее сопротивление.

8.4.2. Паразитная емкостная связь.

8.4.3. Паразитная индуктивная связь.

8.4.4. Паразитная связь через электромагнитное поле и волноводная связь.

8.5. Экранирование.

8.5.1. Принцип экранирования электрического поля

8.5.2. Принцип экранирования магнитного поля

8.6. Фильтрация.

8.7. Заземление.

8.8 Виды линий связи и их электрические параметры.

8.8.1. Волоконно-оптические линии связи

8.9 Конструирование электрического монтажа.

8.9.1. Классификация электромонтажа ЭС

8.9.2. Требования к электрическому монтажу ЭС

8.9.3. Требования к контактным узлам (разъёмным и неразъёмным)

8.9.4. Конструирование электромонтажа объёмным проводом

8.9.5. Преимущества печатного, шлейфового и плёночного монтажа

8.9.6. Разъёмы в ЭС

8.1 Проблема ЭМС

Электромагнитная совместимость (ЭМС) ЭС – это их способность функционировать совместно и одновременно с другими техническими средствами в условиях возможного влияния непреднамеренных электромагнитных помех (НЭМП), не создавая при этом недопустимых помех другим средствам (ГОСТ 23611-79).

Проблема ЭМС вызвана следующими причинами:

1) повышением быстродействия полупроводниковых приборов и электронных схем;

2) непрерывным возрастанием общего числа ЭС;

3) недостаточным числом свободных от помех радиоканалов во всех освоенных диапазонах;

4) возрастанием общего уровня помех, главным образом, от индустриальных источников;

5) усложнением функций и состава ЭС;

6) сосредоточением различных видов ЭС в ограниченном пространстве, например, на самолете, корабле;

7) минитюаризацией изделий, что в ряде случаев приводит к снижению энергии полезных сигналов и уменьшению отношения сигнал-помеха;

8) возрастанием влияния межсоединений и компоновки узлов на помехоустойчивость и быстродействие ЭС;

9) трудностью и большими материальными и временными затратами, связанными с поиском и устранением причин низкой помехоустойчивости ЭС.

Анализ проблемы обеспечения ЭМС ЭС показывает, что можно выделить следующие её научно-технические аспекты:

1. Радиочастотный ресурс.

Изучение условий пользования радиоканалами для различных радиослужб и условий разработки принципов управления ресурсом, включая экономические концепции.

2. Непреднамеренные электромагнитные помехи.

Выявление источников и определение энергетических, частотных и временных характеристик НЭМП, моделирование и изучение влияния среды на их распространение, изучение особенностей влияния НЭМП на работу различных рецепторов; совершенствование методов и средств измерений помех; создание НТД на допустимые уровни помех и реализация соответствующих стандартных требований.

3. Характеристики ЭМС.

Подход к определению роли и значения какой-либо характеристики ЭМС зависит от уровня, на котором решается задача ЭМС. Принято рассматривать три уровня: межсистемный – между отдельными автономными системами, внутрисистемный – внутри сложного радиоэлектронного комплекса, внутриаппаратный – внутри отдельного прибора (блока), между его узлами и компонентами. Учет требований к ЭМС в процессе конструирования ЭС относится, главным образом, к двум последним уровням обеспечения ЭМС.

4. Электромагнитная обстановка (ЭМО).

Определение реальных электромагнитных условий, в которых функционирует или должно функционировать конкретное изделие при наличии или отсутствии полезного сигнала на его сигнальном входе в случае действия НЭМП через этот вход или помимо него. В соответствии с тремя уровнями обеспечения ЭМС рассматриваются и три вида ЭМО: между системами, внутри системы и внутри аппарата.

Методология создания и эксплуатации ЭС основана на системном подходе к решению задачи обеспечения ЭМС, который приводит к многоплановости решения задачи на различных уровнях и комплексности решений в двух основных направлениях: повышения помехозащищенности (и помехоустойчивости) рецепторов и снижения энергии помех в их источнике и среде распространения.

К важнейшим требованиям методологии относятся экономическая целесообразность учета ЭМС, реализация требований НТД в части ЭМС на всех стадиях разработки изделий, создание более совершенной НТД, обеспечение контролепригодности ЭС по параметрам ЭМС, функционирование специальных служб ЭМС.

Помехозащищенность ЭС обеспечивается системотехническими, схемотехническими и конструкторско-технологическими методами.

К системотехническим методам относятся: передача аналоговой информации в цифровой форме , кодирование информации с помощью помехозащищенных кодов и т.п.

К схемотехническим методам относятся увеличение помехозащищенности схем (применение дифференциальных усилителей, логических элементов с повышенной помехозащищенностью), развязка цепей с помощью трансформаторов и режекторных фильтров; уменьшение числа неоднородности линий связи (различных конструктивных решений в пределах одной линии), использование схем минимального быстродействия.

Конструкторско-технологические методы позволяют уменьшить помехи следующими способами: применением экранов и фильтров, выполнением электромонтажных линий, включая цепи заземления, с учетом возможности компенсации помех противоположной полярности, выполнением электрического монтажа с учетом суммарных помех, а также компоновкой элементов и узлов ЭС, обеспечивающих снижение уровня внутренних помех.