1 5. Элементы коммутации и печатные платы 5.1 Элементы электрических соединений Повышение сложности реализуемой схемы, уровня интеграции элементной базы и плотности компоновки конструктивных модулей ЭВМ приводит к возрастанию числа выводов на единице площади и усложнению монтажа электрических соединений. Электрические соединения должны иметь: высокую надежность; требуемые значения электрических параметров и их постоянство; минимальные габаритные размеры и массу; высокую ремонтопригодность; а также обеспечивать: нормальную работу электронных схем в условиях механических и климатических воздействий; удобство и безопасность работы при ремонте и эксплуатации; помехоустойчивость конструктивной реализации схемы; высокую эксплуатационную надежность.

2 Элементы электрических соединений (2) Исходный документ для выполнения электрических соединений - электромонтажные схемы. Электрические соединения должны полностью соответствовать: техническим условиям; принципиальным и электромонтажным схемам; монтажным таблицам. Электромонтажные работы проводят по соответствующим инструкциям, в которых указывается: метод монтажа; применяемое оборудование и оснастка; режимы работы оборудования; требования к элементам электромонтажа. Метод монтажа должен быть технологичным и позволять автоматизировать его выполнение.

3 Виды электрических соединений Все электрические соединения разделяют на два вида: неразъемные; разъемные. Неразъемные электросоединения в свою очередь делят на : постоянные, выполняемые сваркой; полупостоянные, выполняемые пайкой, накруткой и обжимкой (бандажированием); временные – типа «лепесток - винт». Способ электромонтажа и его элементы выбирают с учетом назначения ЭВМ, конструктивно- технологических и эксплуатационных требований.

4 Виды электрических соединений (2) По виду используемых проводников монтаж разделяют на печатный и проводной, а по способу организации на монтаж одиночными проводниками и кабелями – объемными и плоскими. Печатный монтаж снижает трудоемкость монтажно- сборочных работ и создает условия для их механизации и автоматизации. Однако он имеет недостатки, к которым относятся: возможность только плоского расположения проводников на печатной плате (слое); необходимость одновременной запайки выводов всех элементов, установленных на печатной плате; высокую трудоемкость проектирования; низкую ремонтопригодность; недостаточно высокую надежность МПП при больших ее размерах.

Проводной монтаж Проводник приваривают к запрессованным в плату металлическим штырям (а); пайка проводников к печатным платам осуществляется в металлизированное отверстие с использованием кабельного наконечника (б); без него (в); переходных пистонов (г,д); монтажных лепестков (е-з); специальных контактов (и,к). Проводной (объемный) монтаж широко применяют в конструктивных модулях, начиная с блоков или кассет, и реже - в субблоках. Мягкий (жгутовой) монтаж внутристоечных соединений выполняют многожильным (реже одножильным) проводом.

6 Проводной монтаж (2) Монтаж методом накрутки производят одножильным проводом на металлические штыри с острыми кромками.

7 Проводной монтаж (3) При бандажировании, как и при накрутке, электрическое соединение обеспечивают за счет холодного контактирования. Бандаж осуществляют проволокой не менее 8-ми витков или пружинными захватами. На одном выводе выполняют не более трех соединений накруткой или двух бандажированием. Накруточное и бандажное соединения характеризуются хорошей ремонтопригодностью. Для внутриблочных и межблочных связей используют одиночные провода и витые пары. В витой паре один провод сигнальный, другой – экранирующий, оба конца которого заземляют. В блоках проводной монтаж подсоединяют к выводам ответных частей соединителей субблоков пайкой или накруткой.

8 Определение размеров проводника На рисунке показана зависимость допустимого диаметра проводника от плотности проходящего по нему тока, вызывающего перегрев проводника на 20 К относительно температуры окружающей среды. Плотность тока По графику находят значение диаметра d 0, обеспечивающее допустимый перегрев. Если d 0 >d min, то в качестве требуемого принимают значение d 0.

9 Определение размеров проводника (2)

10 Рекомендации по применению вида проводов и их фиксации

11 Рекомендации по применению вида проводов и их фиксации (2)

12 Монтаж запрессовкой проводников

Плоские кабели

14 Плоские кабели (2)

15 Крепление и монтаж гибких печатных кабелей Для крепления ГПК с отверстиями в металлизированных площадках используют переходные колодки, штырьковые выводы которых соединяют пайкой с печатными проводниками ГПК и металлизированными отверстиями печатной платы (а). Крепления ГПК, оканчивающихся контактными площадками без отверстий или лепестками, можно осуществлять с помощью прижимной планки (б) или скобы (в). Электрическое подсоединение ГПК производят пайкой их выводов к контактным площадкам платы. Длину ГПК рекомендуется выбирать в пределах 350 мм, а ширину до 150 мм. 1 – плата печатная; 3 – кабель гибкий печатный; 5 – планка; 7 - прокладка 2 – колодка; 4 – крепежный штырь; 6 – скоба;

16 Гибкие опрессованный и тканый кабели 1 – крышка; 2 – опрессованный кабель; 3 – корпус колодки; 4 – захват; 5 – печатная плата

Разъемные соединители

18 Виды соединителей Различают соединители: врубные; резьбовые; байонетные. Врубные соединители используются, например, для коммутации субблок – монтажная плата блока. Соединения обеспечиваются вставлением вилки в розетку (иногда с фиксацией сочлененного состояния замком). Резьбовые соединители имеют круглое сечение и используются для кабельной и приборно-кабельной коммутации. Фиксация пары вилка-розетка выполняется резьбовой накидной гайкой, после завинчивания которой на требуемое число витков обеспечивается также коммутация пары штырь-гнездо. Байонетные соединители также используются для кабельной и приборно-кабельной коммутации. Фиксация соединения обеспечивается пазом и выступом, вводимыми в конструкцию вилки и розетки. При совмещении выступа и паза и определенной силе нажатия осуществляется скольжение выступа в пазе и западание его в углубление.

19 Сравнительная характеристика соединителей Резьбовые соединители обеспечивают высокую надежность электрических соединений в условиях жестких механических воздействий, однако довольно сложны в изготовлении. Врубное соединение позволяет быстро сочленять и расчленять соединитель. Однако при воздействии ударов и вибраций возникает опасность: изменения контактного сопротивления, появления виброшумов и шорохов на контактах, нарушения контакта. Это может привести к неправильному срабатыванию схем и в целом к снижению надежности аппаратуры. Байонетные соединители занимают промежуточное положение между врубными и резьбовыми.

20 Разъемные соединители (2) В качестве ключа можно использовать несимметричное расположение штырей и отверстий, разные диаметры штырей- ловителей, различные выступы и пазы в корпусе разъема, как в разъеме СНП и т. п. Конструкция вилки и розетки соединителя СНП

21 Разъемные соединители с высокой плотностью контактов Рост количества внешних выводов БИС требует увеличения плотности контактов соединителей плат, на которых монтируют эти БИС. Для решения этой задачи разрабатывают, по существующим принципам конструирования, разъемы с высокой плотностью выводов и соединители новых типов, причем те и другие должны позволять использование прогрессивных методов монтажа. Вилка соединителя для автоматизированной сборки монтажом на поверхность Розетка и вилка универсального соединителя

22 Разъемные соединители с высокой плотностью контактов (2) Вилка и розетка соединителя для автоматизированной сборки монтажом на поверхность имеют механические крепежные элементы для фиксации на плате перед пайкой методом расплавления дозированного припоя. Универсальный соединитель можно монтировать на поверхность плат и в сквозные металлизированные отверстия. Контакты торсионного типа обеспечивают высокую надежность. Первый соединитель имеет 60 выводов при двухрядном (120 при четырехрядном) расположении контактов, второй – 304 контакта, расположенных в четыре ряда с шагом 1,27 (1,25) мм., плотность выводов ~ 30 контактов на 1 см. Корпуса обоих соединителей термостойкие и выдерживают условия конденсационной и инфракрасной пайки.

Печатные платы

24 Фрагмент топологии наружного слоя ДПП Данная плата предназначена для монтажа микросхем с планарными выводами (технология монтажа на поверхность). Вилка соединителя выполнена в виде печатных ламелей на самой плате. Подвод питания и земли выполняется печатными проводниками. Их ширина должна быть не менее 2 мм.

25 Печатные платы (2) а – односторонние ПП; б – двусторонние; в – многослойные.

26 По точности выполнения печатных элементов конструкции (проводников, контактных площадок и пр.) все ПП делят на 5 классов, отличающихся номинальными размерами элементов печатного проводящего рисунка и расстояниями между ними. Классы точности печатного рисунка

27 Рекомендации по использованию классов точности Рекомендуется использовать: первый и второй классы точности – в случае малой насыщенности поверхности ПП дискретными элементами и микросхемами малой степени интеграции; третий – для микросхем со штыревыми и планарными выводами при средней насыщенности ПП элементами; четвертый – при высокой насыщенности поверхности ПП микросхемами и бескорпусными кристаллами; пятый – при очень высокой насыщенности поверхности ПП микросхемами и бескорпусными кристаллами. Для поверхностного монтажа элементов используют четвертый – пятый классы точности. Ширину печатных проводников выбирают в зависимости от допустимой токовой нагрузки, свойств токопроводящего материала и температуры окружающей среды при эксплуатации. Расстояние между элементами проводящего рисунка зависит от допустимого рабочего напряжения, свойств диэлектрика, условий эксплуатации и связано с помехоустойчивостью, искажением сигналов и короткими замыканиями.

28 Материалы печатных плат В качестве основы печатных плат используют фольгированные и нефольгированные диэлектрики ( гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, стеклоткань, лавсан, полиэмид, фторопласт и др.) и керамические материалы. При выборе материала необходимо обратить внимание на: предполагаемые механические воздействия; класс точности; требуемые электрические параметры, определяемые главным образом скоростью переключения элементов; условия эксплуатации; стоимость. По сравнению с гетинаксами стеклотекстолиты имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую стойкость к воздействию температуры, меньшее влагопоглощение. К недостаткам стеклотекстолитов следует отнести более высокую стоимость, худшую механическую обрабатываемость, существенное различие (примерно в 10 раз) коэффициента теплового расширения меди и стеклотекстолита в направлении толщины материала, что может привести к разрыву металлизации в отверстиях при пайке или в процессе эксплуатации.

29 Материалы печатных плат (2)

30 Материалы печатных плат (3)

31 Толщины диэлектрика и фольги Толщины фольгированного диэлектрика, мм: для ГФ – 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; для СФ и СФПН – 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; для СТЭФ – 1; 2; для ФДМ – 0,15; 0,20; 0,23; 0,25; 0,3; 0,35; для СТФ – 0,08; 0,1; 0,13; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,5; 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; для ФТС – 0,1; 0,12; 0,14; 0,15; 0,18; 0,19; 0,23; 0,27; 0,5; для СПТ – 0,025; 0,06; 0,1. Толщина фольги,мкм – 5; 20; 35; 50. Шаг координатной сетки Основной шаг координатной сетки – 0,5 мм в обоих направлениях. Можно применять также шаги: 0,625 мм – при монтаже микросхем с данным расстоянием между осями выводов; 0,05 мм – при специальных требованиях к конструкции; 1,27 (0,635) мм – при монтаже микросхем зарубежного производства.

32 Расчет элементов печатного монтажа Основные исходные данные для расчета элементов печатного монтажа: класс точности; шаг координатной сетки; установочные характеристики компонентов и допуски на отклонения размеров и координат элементов печатного монтажа от номинальных значений, которые определяются уровнем технологии, применяемым оборудованием и т.п. Расстояние между осями двух соседних площадок: L=0,5 (D к1 +D к2 ) + nT + (n+1)S kh, где k=1,2,3,…- число шагов координатной сетки между осями соседних контактных площадок, h- шаг координатной сетки. (a)(a)

33 Расчет минимального и максимального диаметров контактной площадки На схеме определения минимального диаметра контактной площадки указаны : элементов проводящего рисунка относительно координатной сетки ш – погрешность расположения на фотошаблоне; э – погрешность расположения элементов при экспонировании; о – отклонение центра отверстия при сверлении, обусловленное точностью станка; О- номинальное положение центра контактной площадки и отверстия; О 1 - возможное положенние центра контактной площадки из-за неточности изготовления фотооригинала; О 2 - возможное положенние центра контактной площадки в готовой плате или на слое МПП; О 3 - возможное положение центра отверстия из-за неточности сверления.

34 Расчет минимального и максимального диаметров контактной площадки (2) Вид и количество погрешностей зависят от метода производства печатных плат. Рассмотрим некоторые из них.

35 Расчет минимального и максимального диаметров контактной площадки (3)

36 Расчет минимального и максимального диаметров контактной площадки (4) (б)(б)

37 Проектирование структуры МПП Сигнально-потенциальные звенья МПП с одно- (а) и двухсторонним (б) располо- жением потенциальных слоев, потенци- альное (в) и технологическое (г) звенья

38 Топология сетчатого слоя питания МПП Такая топология позволяет увеличить площадь шин питания и земли и тем самым снизить помехи по питанию за счет уменьшения их собственной индуктивности. Благодаря такой топологии снижается волновое сопротивление сигнальных линий связи и улучшается экранирование проводников смежных монтажных слоев.

39 Проектирование структуры МПП (2) На рисунке показана структура десятислойной ПП, состоящая из трех сигнально-потенциальных звеньев: звена с одним сигнальным слоем (X1) и односторонним расположением потенциального слоя (E0); звена с двухсторонним расположением потенциальных слоев (E1,E2) и двумя сигнальными слоями (Y1,X2); звена с односторонним расположением потенциального слоя (E0) и одним сигнальным слоем (Y2). Рис. А

40 Проектирование структуры МПП (3) Структура двенадцатислойной ПП включает в себя: сигнально-потенциальное звено с двумя сигнальными (X1,Y3) и односторонне расположенным потенциальным (E0) слоем; звено с двухсторонним расположением потенциальных слоев (E2,E1) и двумя сигнальными слоями (X2,Y2); звено с односторонним расположением потенциального слоя (E0) и двумя сигнальными слоями (X3,Y1).

41 Проектирование структуры МПП (3) (1)

42 Проектирование структуры МПП (4) (2)

43 Проектирование структуры МПП (5) (3) (4)

44 Проектирование структуры МПП (6)

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) ВОЛС находят широкое применение для обмена информацией между различными устройствами ЭВМ или между отдельными машинами в многомашинных комплексах, сетях и иерархических системах обработки информации. Достоинства ВОЛС: малое поперечное сечение и малая масса волокон; широкая полоса пропускания; невосприимчивость к внешним электромагнитным помехам; отсутствие воздействий на другие линии и коротких замыканий; более широкий температурный диапазон работы.

46 Волоконно-оптические линии связи (2) Луч света, падающий под углом на торец световода, проходит в его сердцевину и отражается под углом R от оболочки. Отражение происходит вследствие разности коэффициентов отражений оболочки n o и сердцевины n c. После многократного отражения луч света выходит из противоположного конца световода практически неизменным. В общем случае в световоде существует два типа лучей: меридиональные, проходящие через ось световода (показаны на рисунке) и косые, не пересекающие ось. Основу ВОЛС составляет световод или оптическое волокно. 1 – отраженный луч света; 2 – выходящий луч света; 3 – сердцевина; 4 – оболочка; 5 – падающий луч света

47 Волоконно-оптические линии связи (3) Длина пути меридионального луча определяется по формуле: P = L Sec R, где L – длина световода. Длина пути и время прохождения луча по световоду – функция угла падения луча. Разница между длинами пути и временем прохождения для различных составляющих луча (мод) приводит к сокращению информационной емкости световода.

48 Характеристики и свойства ВОЛС

49 Характеристики и свойства ВОЛС (2)

50 Структура ВОЛС Конструктивно световод состоит из сердцевины, покрытой несколькими слоями защитных материалов. Первичное покрытие – тонкая (5-10 мкм) лаковая пленка из ацетата целлюлозы, силикона или других материалов, защищающая материал сердцевины от воздействия атмосферы и увеличивающая его механическую прочность. Назначение последующих слоев – устранение воздействий на световод поперечных сил и увеличение прочности на разрыв. Группа световодов объединяется конструктивно в оптический кабель, в конструкцию которого кроме световодов включают силовые элементы, демпфирующие слои и специальные наружные защитные покрытия.

51 Варианты конструкций оптических кабелей Оптический кабель (рис. а) имеет 10 световодов 1, располагающихся на цилиндрическом упрочняющем элементе 2, защищенном покрытием 3. Поверх световодов размещена полимерная демпфирующая прокладка 4, которая помещается в полимерную оболочку 5. В оптическом кабеле (рис. б) 4 световода 1 совместно с упрочняющим элементом образуют субкабель 2. Восемь таких субкабелей с четырьмя коаксиальными фидерами 8 для электропитания, окруженные демпфирующим материалом размещаются на упрочняющих элементах 4 и 7, которые защищены полимерным покрытием 3. Поверх конструкции нанесены демпфирующий слой 5 и защитный слой 6.

52 Варианты конструкций оптических кабелей (2) В оптическом кабеле (рис. в) световоды 1 уложены в канавки фигурного пластмассового профиля 2. Канавки следуют по винтовой линии в цилиндрических координатах =2 z/H, где H – шаг скрутки. Они заполняются гелием или очень мягким материалом. Сердцевину кабеля образует упрочняющий элемент 3. В оптическом кабеле (рис. 3) трубчатые световоды 1 размещаются на защищенном изоляционным материалом упрочняющем элементе 2. Снаружи кабель защищен демпфирующим слоем 3 и защитным материалом 4.

53 Схема передачи информации по ВОЛС 1 – возбудитель; 2 – светодиод; 3 – передатчик; 4 – оптическая линия связи; 5 – приемник; 6 – фотодиод; 7 – усилитель

54 Схема передачи информации по ВОЛС (2)

55 Схема передачи информации по ВОЛС (3)

56 Потери в световодах

57 Потери в световодах (2)

58 Исходные данные для проектирования ВОЛС