10.4. Уплотненный монтаж обычных (навесных)

элементов

Разработчики радиоэлектронной аппаратуры изыскивают различные методы конструирования с применением существующих малогабаритных элементов. Обычно эти методы предусматривают модульный метод конструирования и разработку схем, в которых отсутствуют крупногабаритные элементы.

Модульный метод конструирования означает, что основой конструкции устройства является некоторая стандартная по размерам, способу сборки и монтажа элементарная конструктивная ячейка — модуль.

Наряду с этим ведется непрерывное усовершенствование малогабаритных элементов с целью уменьшить их размеры, повысить надежность и обеспечить возможность использования различных методов сборки.

Существует несколько конструктивных видов модулей на обычных малогабаритных элементах, особенный интерес представляют плоские объемные модули.

Плоские модули. Эти модули чаще всего выполняет на печатных платах унифицированных размеров. Площадь платы зависит не только от размеров навесных элементов, устанавливаемых на плате, но и от степени совершенства технологии печатного монтажа. Высота плоских модулей целиком определяется размерами элементов, причем зачастую один какой-нибудь элемент определяет высоту всего модуля или даже блока, если модули собирают в плоскую конструкцию.

Широкое внедрение печатного монтажа и полупроводниковых приборов послужило основой для поисков новых методов конструирования электронной аппаратуры, пригодных как для промышленного (массового) производства, так и для лабораторного изготовления экспериментальных моделей.

Обычно печатные схемы почти точно воспроизводят рисунок монтажных схем, которые служат для них моделями.

На ранней стадии развития модульного конструирования были приняты международные стандартные модули, собранные на основной плате со стандартными отверстиями для выводов элементов, имеющими диаметр 1,3 мм. Исследования показали, что рациональное конструирование при использовании таких стандартных плат основано на выборе формы соединительных проводов, на решении вопроса об оптимальном размещении элементов. Конструирование начинают с размещения более крупных элементов, затем производят монтаж элементов меньших размеров и, наконец, наиболее гибких элементов и соединительных проводов. При рациональном размещении элементов могут быть получены достаточно компактные схемы.

Проводились исследования по использованию вычислительных машин для решения задач выбора оптимального варианта размещения элементов на стандартной плате. Оказалось, что такое решение возможно, но использование современных вычислительных машин потребовало бы составления слишком длинных программ, что пока нецелесообразно. Однако дальнейшее развитие вычислительной техники, без сомнения, сделает этот метод конструирования как технически, так и экономически перспективным.

Широкое внедрение стандартных элементов, а в области применения печатных схем — универсальных плат нового типа значительно упростит и удешевит конструирование электронной аппаратуры как на стадии изготовления экспериментального образца, так и в процессе их серийного производства.

Объемные модули. Среди ряда конструкций объемных модулей наибольший интерес представляют те, в которых элементы устанавливаются вертикально вплотную друг к другу и каким-либо способом соединяются в плоскости расположения выводов. Эти конструкции позволяют получить наибольшую плотность монтажа при создании модулей и блоков, состоящих из однотипных элементов с осевыми выводами (например, диодные и резисторные матрицы и пр.).

Применяют несколько вариантов конструктивного выполнения таких модулей. В одном из вариантов элементы располагают между двумя печатными платами и соединяют с ними при помощи пайки. Спаянный и проверенный модуль заливают компаундом, что при дает ему механическую прочность и позволяет обойтись без дополнительных креплений.

Разновидностью этой конструкции являются сварные модули. Метод конструирования электронной аппаратуры с применением сварных модулей позволяет уменьшить размеры и вес электронного оборудования на 75% и более даже при использовании обычных элементов.

Новый метод хорошо подходит для конструирования цифровых вычислительных машин, где имеются десятки идентичных элементов, в каждом из которых используются транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы. Предполагают, что он может найти широкое применение также для изготовления авиационной электронной аппаратуры, когда элементы монтируют между двумя печатными панелями так, что получается как бы трехслойная конструкция.

Процесс изготовления сварных модулей заключается в следующем. Транзисторы приклеивают друг к другу торцами так, чтобы их выводы были направлены в противоположные стороны. Затем вместе с резисторами и конденсаторами их помещают между двумя топкими лептами из майлара с отверстиями для выводов. Эти ленты служат как бы оправой для монтажа подобно печатным платам (отличие состоит в том, что ленты не несут соединительных проводников). Для выполнения необходимых соединений между элементами внутри каждого из них к соответствующим выводам приваривают тонкие никелевые ленты.

Таким образом собирают стержень, состоящий из ряда элементов, еще не соединенных между собой. Выводы элементов, которые не должны больше иметь каких-либо других соединений, обрезают заподлицо С поверхностью никелевых лент. Чтобы изолировать внутренние соединения элементов, на стержень накладывают другую майларовую ленту с отверстиями для пропускания оставшихся выводов. Соединения между элементами производят с помощью двух майларовых лент, на каждой из которых нанесена сетка или матрица из никелевых проводников: вдоль ленты с одной ее стороны и поперек — с другой. В определенных местах ленты в соответствии с требуемыми соединениями между элементами делают отверстия для выводов, что позволяет сваривать продольные и поперечные проводники между собой и с выводами элементов. Конфигурация матрицы определяется функцией, выполняемой логическим стержнем (модулем). Те проводники матрицы, которые не должны быть соединены для выполнения определенной логической функции, обрезают и удаляют. После того как выполнены соединения между элементами, модуль, представляющий собой основную составную часть цифровой вычислительной машины, в принципе готов. Входные и выходные соединения логического стержня обеспечиваются продольными проводниками матрицы, которые выводят на соедини тельную колодку, имеющуюся на одном или обоих концах стержня.

В таком состоянии модуль готов к герметизации. Модули, заключенные в герметизированные корпуса, объединяют в блоки, из которых и создается вычислительная машина.

В лаборатории контрольно-измерительных приборов Массачусетского технологического института разработан метод составления программ для цифровой вычислительной машины модели IBM-650, которая выдает информацию об оптимальном размещении элементов и их соединений в логические стержни. Полученная с помощью ЦВМ схема оптимального размещения элементов может быть сфотографирована, уменьшена и применена для печатания монтажной схемы матричных соединений на майларовой ленте. Используя при этом методе конструирования стандартные сверхминиатюрные элементы, можно достигнуть плотности монтажа по крайней мере 5 000 элементов на 1 дм³. Высокая плотность монтажа достигается не только для незначительного числа отдельных модулей, но и для всего оборудования, так как прямоугольная форма сварных стержней обеспечивает максимальное использование объема.

Модуль, заключенный в герметизированный корпус, обладает исключительно большой механической прочностью. Матрицы, сваренные никелевой проволокой, ленты в двух плоскостях и тесно примыкающие к ним в третьей плоскости элементы действуют подобно армирующим стальным прутьям в железобетоне и образуют исключительно компактную, легкую конструкцию, имеющую большую прочность. При сборке группы стержней в общий блок прочность конструкции еще больше повышается.

Для иллюстрации прочности сварной модульной конструкции можно сказать, что она продолжала работать без нарушения выходных характеристик в условиях вибрации — 50 g или синусоидальных колебаниях частотой 75—2 000 гц в течение 3 мин, причем процесс испытания периодически повторялся в течение 12 ч: удар — с ускорением 150 g в течение 11 мсек полуволной синусоидального колебания или 1 000 g в течение 0*,5 мсек импульсом.

Применение сварки вместо пайки, по-видимому, улучшит общую надежность аппаратуры. Испытания, проведенные к настоящему времени, подтверждают это предположение, но для определения наиболее оптимальных значений напряжения разряда, длительности импульса сварочного тока и формы электрода требуется дальнейшая экспериментальная работа.

Технологический процесс при сварке значительно проще, чем при пайке, при этом не нужно высокой квалификации исполнителя. Кроме того, дефекты сварки обычно значительно легче обнаружить при осмотре, чем плохие соединения при пайке. Так как нагрев при сварке происходит в течение очень короткого времени, опасность повреждения чувствительных к воздействию температуры элементов, например транзисторов и диодов, значительно уменьшается. Это позволяет производить соединения элементов в непосредственной близости к их корпусам, т. е. уменьшить длину выводов, а следовательно, сэкономить объем и снизить общий вес аппаратуры. Замена поврежденных элементов сварного модуля, заключенного в герметичный кожух, невозможна. При выходе из строя хотя бы одного из элементов приходится заменять весь модуль. Даже до заключения сварного модуля в кожух довольно трудно заменить поврежденный элемент после установки и сварки матричной ленты. Поэтому элементы до монтажа подвергают тщательным испытаниям.

В качестве примера конструкции вертикального модуля рассмотрим диодную матрицу, которая предназначена для преобразования четырех разрядов двоичного кода в один разряд десятичного.

Рис. 10.8. Принципиальная схема диодной матрицы

Принципиальная электрическая схема матрицы показана на рис. 10.8. Каждой десятичной цифре соответствует определенная комбинация напряжений на четырех нарах входных шин. Выбор десятичной цифры определяется появлением нулевого потенциала на соответствующей выходной шине. В это время на всех остальных девяти выходных шинах имеется положительное напряжение. В отличие от обычного двоичного кода, имеющего значащие числа первых четырех разрядов 1—2—4—8, матрица преобразует двоичный код со значащими числами 1—2—3—6, что позволяет использовать меньше диодов. Как видно из схемы, матрица состоит из 28 диодов, 10 резисторов и должна иметь четыре пары входных шин, 10 выходных и шину нулевого потенциала. В матрице используются диоды типа Д9Ж диаметром 3 и длиной 9 мм и резисторы типа МЛТ-0,25 диаметром 2,5 и длиной 7 мм.

Рис. 10.9. Схема расположения элементов матрицы

Вся схема может быть выполнена в виде объемного модуля. Диоды и резисторы располагаются вертикально в четыре ряда в шахматном порядке между двумя печатными платами. Схема расположения элементов модуля показана на рис. 10.9. Она выбрана с таким расчетом чтобы схема печатного монтажа на обеих платах была возможно проще. Мо дуль сконструировав так, что входными шипами и шинами ну левого потенциала являются вы воды самих элементов. Выходные шины расположены параллельно элементам и присоединены к печатному монтажу на верхней плате.

Рис. 10.10. Конструкция модуля

Конструкция модуля показа на рис. 10.10. Модуль залит компаундом (контур заливки по казан пунктиром), так что образовался прямоугольный монолитный

блок размерами 421215 мм. В объеме около 77,5 см³ размещено 38 обычных элементов и получена плотность монтажа около пяти элементов на 1 см³. Выводы модуля расположены в определенном порядке, что облегчает его коммутацию с другими узлами устройства.

Разработан метод плотного монтажа радиоэлектронной аппаратуры с помощью сварных сотовых модулей. При этом используют литые металлические или пластмассовые корпуса блоков с отверстиями гнездами, выполненными при отливе или высверливанием, куда вставляют элементы схемы. Диаметр каждого отверстия соответствует размерам устанавливаемого элемента. Выводы элементов соединяют сваркой. После окончания монтажа и испытания схемы блок герметизируют.

При отливке корпуса блока в нем предусматривают канавки для укладки соединительных проводов, чтобы предотвратить короткое замыкание между ними и не увеличивать общие размеры блока.

В сотовых блоках можно применить элементы и нецилиндрической формы; для этого в блоках должны быть сделаны отверстия соответствующей формы. Сварные сотовые блоки можно собирать из интегральных микроэлектронных схем.

Хотя ни сварной монтаж, ни сотовая конструкция не являются сами по себе новшеством, их объединение, как полагают, облегчит решение многих проблем изготовления сварных схем и повысит их надежность. В частности, новый метод обладает рядом преимуществ по сравнению с методом так называемого сварного монтажа («слоистого»), когда для крепления элементов используют тонкие ленты фибры. При слоистом сварном монтаже заменить вышедший из строи элемент после сборки и герметизации блока очень трудно. И сотовых сварных блоках такая замена производится довольно просто. Если для герметизации такого блока используется вулканизированная кремнийорганическая смола с низкой температурой плавления, то доступ к побежденному элементу может быть легко открыт, например, с помощью перочинного ножа.

При слоистом сварном монтаже соединения между лентами производят после установки всех элементов. При этом из-за большого количества выводов велика вероятность ошибки соединений. В сотовых блоках подсоединение элемента производится тотчас же после его установки в соответствующее гнездо блока: это уменьшает ошибки монтажа и улучшает доступ сварочных электродов к местам соединений,

В конструкции слоистого тина расстояние между соседними элементами, которое определяет величину электрической емкости между ними, зависит от расположения осевых выводов каждого элемента, а оно подвержено значительным вариациям. В сотовой конструкции размещение элементов в каждом блоке можно произвести-с большой точностью, так как оно определяется расположением гнезд, заранее высверленных или полученных при литье корпуса.

Герметизация сварных блоков слоистой конструкции может привести к появлению вредных механических напряжений в элементах. Это напряжения трудно обнаружить, в результате чего элементы быстро выходят из строя. В сотовой конструкции герметизацию в основном осуществляют до установки элементов в гнезда блока. При окончательной герметизации производят лишь заливку двух концов гнезда, благодаря чему не возникает механических напряжений и количество пустот сводится к минимуму.