Разработка конструкции устройства

Итак, принимаем bmin = 0,24 мм.

 

Определение минимального диаметра монтажных отверстий.

где

dэ =0,5 – максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ;

Δdн.о = 0,1 – нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия (по таблице 1.5.2);

r = 0,1 - разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным  диаметром вывода ЭРЭ (выбирается в пределах 0,1…0,4)

Для металлизированных отверстий:

где

0,33 (для ПП 3-го класса точности) - отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы;

HCi = 1,5 - номинальная толщина i-ro слоя;

Hnpt = 0 - номинальная толщина материала i-ой прокладки из стеклоткани (т.к. 1 слой, то прокладок вообще нет);

n = 1 – число слоев;

hn = 0,035 - толщина гальванически осажденных металлов.

Исходя из этого выбираем диаметр отверстия d = 0,7 мм из ряда рекомендуемых ГОСТ 10317-79.

Таблица 1.5.2 Классы точности ПП

Параметры	Класс точности ПП
	1	22	3 3	4 4
Минимальное значение номинальной ширины проводника b, мм	00,60	00,45	00,25	00,15
Номинальное расстояние между проводниками s, мм	00,60	00,45	00,25	00,15
Отношение диаметра отверстия к толщине платы g	>>=0,50	>>=0,50	>>=0,33	>>=0,33
Допуск на отверстие Dd, мм, без металлизации, d<=1 мм	±± 0,10	± ±0,10	±± 0,05	± ±0,05
То же,  d >1 мм	±± 0,15	± ±0,15	±± 0,10	± ±0,10
Допуск на отверстие Dd, мм, с металлизацией, d<=1 мм	+ +0,10 -- 0,15	++ 0,10 - -0,15	++ 0,05 -- 0,10	+ +0,05 - -0,10
То же,  d >1 мм	++ 0,15 - -0,20	+ +0,15 -- 0,20	++ 0,10 - -0,15	++ 0,10 -- 0,15
Допуск на ширину проводника Db, мм, без покрытия	±± 0,15	±± 0,10	++ 0,03 -- 0,05	± ±0,03
То же с покрытием	+ +0,25 - 0,20	+ +0,15 - 0,10	++ 0,10 - 0,08	± ±0,05
Допуск на расположение отверстия при размере платы до 180 мм dd	00,20	00,15	00,08	00,05
Допуск на расположение контактных площадок dp, мм, на ОПП и ДПП при размере платы до 180 мм	00,35	00,25	00,20	00,15
Допуск на расположение контактных площадок dp, мм, на МПП при размере платы до 180 мм	00,40	00,35	00,30	00,25
Расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки bm	00,06	00,045	00,035	00,025

 

 

Расчет диаметра контактных площадок:

Минимальный диаметр контактных площадок печатных плат, изготовленных комбинированным позитивным методом:

где

hф = 0,035 мм – толщина фольги;

- минимальный эффективный диаметр площадки, где:

bm = 0,035 мм (для ПП 3-го класса точности – из таблицы 1.5.2) – расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки;

δd = 0,08 мм; δp = 0,20 мм - допуски на расположение отверстий и контактных площадок (из табл. 1.5.2);

- - максимальный диаметр просверленного отверстия;

= 0,05 мм - допуск на отверстие (из табл.1.5.2);

d = 0,7 мм - номинальное значение диаметра.

Итак:

dmax =  0,7 + 0,05 + 0,1 = 0,85 мм

D1min = 2*(0,035 + 0,85/2  + 0,08 + 0,20) = 1,48 мм

Dmin = 1,48 + 1,5*0,035 + 0,03 = 1,56 мм

Dmax = Dmin + (0,02…0,06) = 1,56 + 0,02 = 1,58 мм

Максимальный диаметр контактной площадки 1,6 мм.

 

Определение ширины проводников.

Минимальная ширина проводников для ПП, изготовленных комбинированным позитивным методом:

где

b1min = 0,18 мм - (для ПП 3-го класса точности) - минимальная эффективная ширина проводника;

hф = 0,035 мм – толщина фольги.

Тогда:

bmin = 0,18 + 1,5*0,035 + 0,03 = 0,263 мм

bmax = bmin + (0,02…0,06) = 0,263 + 0,02 = 0,265 мм

Максимальная ширина проводника 0,3 мм.

 

Определение минимального расстояния между элементами проводящего рисунка.

- минимальное расстояние между  проводником и контактной площадкой, где

L0 = 2,5 мм - расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

δ1 = 0,25 мм - допуск на расположение проводников.

S1min = 2,5 – [(1,6/2 + 0,20) + (0,3/2 + 0,25)] = 1,1 мм

- минимальное расстояние между 2-мя контактными площадками,

S2min = 2,5 – (1,6 + 2*0,20) = 0,5 мм

- минимальное расстояние между 2-мя проводниками,

S3min = 2,5 – (1,6 + 2*0,25) = 0,4 мм

 

 

1.6 Расчет надежности

 

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов и условиям эксплуатации. Для расчета надежности необходимо иметь логическую модель безотказной работы системы. При ее составлении предполагается, что отказы элементов независимы, а элементы и система могут находиться в одном из 2-х состояний: работоспособном и неработоспособном. Элемент, при отказе которого отказывает вся система, считается последовательно соединенным; а элемент, отказ которого не приводит к отказу системы, считается включенным последовательно на логической схеме надежности.

Расчет надежности можно производить по внезапным и по постепенным отказам. При конструировании данного устройства расчет будем проводить по внезапным отказам.

Определим интенсивность потока отказов элементов с учетом условий эксплуатации изделия:

где

- номинальная интенсивность потока отказов;

k1, k2 - поправочные коэффициенты, зависящие от воздействия механических факторов;

k3 - поправочный коэффициент, зависящий от воздействия влажности и температуры;

k4 - поправочный коэффициент, зависящий от давления воздуха;

- поправочный коэффициент, зависящий от температуры поверхности элемента и коэффициента загрузки

Так как расчет надежности блока ведется на этапе технического проектирования, то значения всех поправочных коэффициентов еще не определены. Поэтому воспользуемся полученными из опыта эксплуатации значениями неких обобщенных поправочных коэффициентов, представляющих собой комплексный поправочный коэффициент К, зависящий от объекта установки ЭВМ и учитывающий все условия эксплуатации. Для наземной аппаратуры К=20 (табл. 1.6.2).

Для последовательного соединения элементов на структурной схеме надежности вероятность безотказной работы составит:

где

n – количество элементов.

Интенсивность отказов системы составит:

Среднее время наработки на отказ:

При смешанном соединении элементов в структурной схеме надежности определение вероятности безотказной работы для последовательно соединенных элементов (или блоков) производится во приведенной выше формуле, а для параллельно соединенных - по выражению:

Т.к. разрабатываемый узел не имеет резервных элементов и при отказе любого элемента узла производится полная замена платы (что будет обходиться дешевле, чем поиск неисправности и замена отказавшего элемента), то получаем нерезервированную невосстанавливаемую систему. Т.к. все элементы платы являются практически необходимыми для функционирования устройства, то получим последовательную структурную схему надежности.

Исходя из этого получим:

(для элементов соединенных последовательно  на структурной схеме надежности  блока),

где

n – количество отказов;

λiн - интенсивность отказа i-ro элемента при нормальных условиях эксплуатации (некоторые значения взяты из табл. 1.6.1);

λИМС = 20 * 0,013 * 10-6 * 27 = 7,02 * 10-6 час-1

λПП = 20 * 0,7 * 10-6 * 1 = 14 * 10-6 час-1

λРазъема1 = 20 * 0,062 * 10-6 * 64 * 1 = 79,36 * 10-6 час-1

λРазъема2 = 20 * 0,062 * 10-6 * 3 * 1 = 3,72 * 10-6 час-1

λпаян.соед. = 20 * 0,01 * 10-6 * 353 = 70,6 * 10-6 час-1

λперех.отв. = 20 * 0,01 * 10-6 * 281 = 56,2 * 10-6 час-1

 Среднее время наработки на отказ: Т = 1/l, Т=1/ 2,31*10-4= 4273 часов Рассчитаем вероятность безотказной работы устройства в течении заданного времени (1000 часов) :

Полученное значение приемлемо для безотказной работы устройства в течение заданного времени.

Таблица 1.6.1 Интенсивность отказов некоторых электро- и радиоэлементов

Наименование элемента	Интенсивность потока отказов, 10-6 , 1/ час
Микросхемы со средней степенью интеграции Большие интегральные схемы Конденсаторы керамические Соединители Гнезда Клеммы, зажимы Плата печатной схемы Пайка печатного монтажа	0,013   0,01 0,15 0,062 * n 0,01 0,0005 0,7 0,01

 

Таблица 1.6.2 Значения интегрального поправочного коэффициента для аппаратуры различного назначения

Объект установки аппаратуры	Значения поправочного коэффициента
Лабораторные условия Наземная аппаратура Корабль Автомобиль Поезд Аппаратура для высокогорной местности Самолет Ранние образцы ракет Современные образцы ракет	1,0 20 40 50 60 68 100 400 700

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Разработка технологического процесса изготовления устройства

 

2.1 Выбор метода изготовления печатной платы

Разработанное устройство будет выполнено на двусторонней печатной плате (ДПП). В соответствии с ГОСТ 23751-86 конструирование ДПП следует осуществлять с учетом следующих методов изготовления : комбинированного, позитивного и электрохимического (полу аддитивного).

Электрохимический метод обеспечивает высокую точность и плотность токопроводящего рисунка. Однако основным требованием к разрабатываемому устройству является высокая надежность, которую обеспечивает комбинированный позитивный метод, благодаря хорошему сцеплению проводников с ПП при использовании этого метода. Кроме того, этот метод нашел наибольшее распространение на предприятии заказчика.

 

2.2 Технологический процесс изготовления печатной платы комбинированным позитивным методом

Технологический процесс изготовления ПП комбинированным позитивным методом состоит из ряда взаимосвязанных между собой этапов.

Входной контроль фольгированного диэлектрика (СФ-2-35) заключается в проверке размеров листа, состояния поверхности, прочность сцепления фольги в исходном состоянии и при воздействии расплавленного припоя, гальванических растворов и других факторов (ГОСТ 10316-78). При визуальном осмотре листов устанавливается наличие проколов, пузырей и других повреждений. Коробление и изгиб диэлектрика проверяются путем погружения материала в расплавленный припой. При этом выявляются трещины на поверхности и дефекты сцепления между слоями.

Прочность сцепления фольги с диэлектриком характеризуется усилием, необходимым для отрыва плоскости фольги от основания.

Штампуемость материала определяется его способностью подвергаться обработке без образования сколов на грани отверстий и трещин в перемычках между отверстиями.

Способность материала к сверлению определяется пробной обработкой. Изготовление шлифа просверленного отверстия позволяет установить наличие прожигания при сверлении и оплавления поверхности отверстия или наличие шероховатости из торчащих волокон, затрудняющих проведение металлизации отверстий. Внешний вид диэлектрика должен соответствовать ГОСТ 23752-83.

Получение заготовок. Заготовку отрезают с припуском по контуру. Ширина технологического поля составляет 10 мм. Резка листа из фольгированного диэлектрика может производиться дисковой фрезой с охлаждением сжатым воздухом, а также роликовыми или гильотинными ножницами. Применение последних целесообразно, так как при этом повышается производительность, исключается засорение помещений пылью, сокращаются отходы.

Вскрытие базовых отверстий. Для установки заготовки при выполнении некоторых операций ТП предусмотрены фиксирующие и технологические отверстия. Их изготовляют пробивкой или сверлением с помощью специальных устройств.

Сверление отверстий подлежащих металлизации выполняют в кондукторе спиральным сверлом из твердого сплава с углом при вершине сверла 130 гр. Без применения охлаждающей жидкости. Монтажные отверстия сверлят на станках с ЧПУ типа SHMOP, ALPHA-Z, которые имеют массивное гранитное основание для уменьшения промышленных вибраций. Станки должны обеспечивать частоту вращения шпинделя не менее 1000 об/мин., биение сверла не более 0,02 мм, бесступенчатое регулирование скорости, дискретность координатных перемещений. Стенки отверстий должны быть гладкими, без заусениц, расслаивания, ожогов, вмятин диэлектрика. Они должны быть перпендикулярными наружной поверхности платы и свободными от следов инструмента, смазочных веществ и стружки.