ЯчейкаЧ (счетчин] aj Яеика2(памят

I\~Тинхр.

Ячейка 1 (счетчик)

Рис. 8.5. Использование избыточности для сокращения числа внешних соединении

Восьмой этап - конструктивно-технологическая разработка аппаратуры.

Задача данного этапа - создание конструкции, которая имела бы минимальный объем, обеспечивала бы необходимый тепловой режим, кратчайшую длину соединений и малые паразитные взаимосвязи между элементами, удобство эксплуатации и ремонта. При этом должны быть максимально использованы унифицированные и стандартные элементы конструкции, а также типовые технологические процессы.

Конструирование аппаратуры как на аналоговых, так и на цифровых микросхемах включает следующие основные этапы: разработку топологии печатных плат, размещение на них микросхем, конструирование ячеек и блоков, обеспечение связей между ними. Значение этапа конструирования при построении аппаратуры на микросхемах очень велико, потому что именно такие элементы конструкции, как платы, элементы крепления и теплоотвода, штепсельные разъемы, кабели и т. п., в значительной мере определяют объем и массу аппаратуры. Так, для устройств типа ЭВМ за счет конструктивных деталей число элементов и компонентов в единице объема аппаратуры уменьшается в 100 раз и более по сравнению с пчетностью размещения элементов и компонентов в микросхемах.

Вопросам конструирования микроэлектронных устройств, которое значительно отличается от конструирования аппаратуры на дискретных компонентах, посвящен следующий параграф.

Процесс проектирования завершают разработкой комплекта рабочей конструктивно-технологической документации, по которой изготовляют опытный образец аппаратуры.

Приведем несколько замечаний к основным этапам проектирования аппаратуры на микросхемах.

Этапы проектирования, указанные на рис. 8.2, соответствуют в основном созданию аппаратуры средней и большой сложности. Для простых устройств последовательность проектирования может быть упрощена, например, могут быть исключены этапы 7 и 8.

Показанный процесс проектирования рассмотрен в виде последовательного проведения этапов. Однако следует иметь в виду на-чичие многочисленных обратных связей между этапами (рис. 8.2), так что фактически аппаратуру проектируют путем последовательных уточнений. Например, принципиальную схему, разработанную на пятом этапе могут корректировать после разработки специализиро-ванных микросхем. Введение избыточности, в частности поканально-го резервирования, на четвертом этапе может вызвать изменение структурной схемы аппаратуры и необходимость возврата ко второму этапу После разработки функциональной схемы может также измениться и серия для реализации устройства. Таким образом, поопесс проектирования электронной аппаратуры на микросхемах достаточно сложен и связан с оценкой и сравнением многочисленных вариантов. Особенно трудоемки этапы выбора элементной базы учетом конструктивно-технологических факторов, разработки (Ьунгционачьной схемы, проектирования микросхем специализированного применения, конструктивно-технологической разработки аппаратуры.

Таблица 8.2

Сложность и трудоемкость процесса проектирования микроэлектронных устройств привели к необходимости перехода от общепринятых эмпирических приемов конструирования, зачастую опирающихся на субъективные оценки и интуитивные соображения разработчиков, к более рациональным методам, основанным на использовании ЭВМ.

В табл. 8.2 показаны операции, выполняемые в настоящее время с помощью ЭВМ.

Полностью автоматизировать процесс проектирования аппаратуры пока не представляется возможным, однако для наиболее трудоемких этапов (5, 6, 8) существуют системы комплексной автоматизации, начиная от построения принципиальной схемы до представления топологии печатных плат я всех соединений в виде чертежей, а также соответствующего кода на носителях информации (перфоленты, перфокарты) для последующего автоматического изготовления фотошаблонов, которые используются для металлизации и диффузии.

Применение ЭВМ дает большой выигрыш во временя и в качестве проектирования. Например, даже при построении сравнительно простой печатной платы с 32 микросхемами получен выигрыш во времени в 40 раз, а в длине проводников, что существенно для быстродействия, в 2 раза.

Проектирование аналоговой аппаратуры имеет ряд особенностей, основными из которых являются следующие. При построении аналоговой аппаратуры используют более широкую номенклатуру микросхем, чем в цифровых устройствах. Это обусловлено в первую очередь большим многообразием функций, выполняемых аналоговой аппаратурой и ее узлами. Указанная особенность определяет необходимость широкого использования микросхем специализированного применения и микросборок, разработанных с учетом специфики проектируемых устройств.

Аналоговые микросхемы в отличие от цифровых характеризуются большим числом параметров. В справочных данных, как правило, приводится ограниченное число параметров, соответствующих главным образом одному из частных вариантов использования микросхем. Поэтому при проектировании новой аппаратуры нередко требуется дополнительная информация о параметрах микросхем. Например, для использования преобразователя частоты 2ПС351 в приемных устройствах, кроме приведенных в справочниках данных, необходимо знать следующие параметры: крутизну преобразования на различных частотах, коэффициент подавления напряжения гетеродина, коэффициенты шума и нелинейных искажений, динамический диапазон и т. п.

Информация, недостающая для проектирования, может быть получена экспериментальным или расчетным путем.

Недостаток информации о параметрах аналоговых микросхем часто создает затруднения при решении вопросов выбора элементной базы, а также согласования микросхем между собой и с другими элементами схемы. Эти затруднения наиболее заметны при использовании микросхем различных серий. Поэтому для решения вопросов согласования и выбора режима работы микросхем широко используют макетирование отдельных узлов аналоговой аппаратуры, а также их моделирование на ЭВМ.

К стабильности и разбросу параметров аналоговых микросхем предъявляют более жесткие требования, чем к цифровым микросхемам. Указанную особенность необходимо учитывать на этапе выбора серии микросхем для реализации проектируемого устройства.

В аналоговой аппаратуре шире, чем в цифровой, применяют навесные дискретные компоненты. Причинами этого являются ограниченные возможности изготовления конденсаторов и катушек индуктивности в интегральном исполнении, а также необходимость использования микросхем на различных частотах, с разными видами нагрузки и напряжения питания. Особенно широко используют дискретные компоненты с универсальными микросхемами,

8.2. ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ НА МИКРОСХЕМАХ

Рассмотрим теперь более подробно те элементы конструкции и процессы создания аппаратуры, которые специфичны для микроэлектронных устройств, в частности многослойные печатные платы, а также вопросы компоновки узлов, ячеек, блоков и обеспечения необходимого теплового режима.

Печатные платы для установки микросхем. Печатные платы служат основанием для монтажа микросхем и обеспечивают коммутацию всех элементов в соответствии с принципиальной схемой. Применение печатных плат позволяет на один-два порядка повысить плотность компоновки по сравнению с объемным монтажом и на порядок снизить массу.

В устройствах малой сложности и в аппаратуре, к которой не предъявляются очень высокие требования к плотности монтажа, применяют однослойные и двуслойные платы. В аппаратуре средней и большой сложности часто используют многослойные печатные платы.

Однослойные и двуслойные платы (рис. 8.6,а) состоят из основания, на которое с одной или двух сторон наносятся печатные проводники. Основания плат должны обладать достаточной механической прочностью, малыми диэлектрическими потерями, высокой на-гревостойкостью и хорошей адгезией (сцепляемостью) материалов платы и печатных проводников. При изготовлении печатных плат широко используют стеклотекстолит, стеклоткань, гетинакс, фторо-пласт-4 и некоторые другие диэлектрики. Толщина плат 0,8 - 3 мм, а их типовые габаритные размеры 135x110; 135X240; 140X130; 140X150; 140X240; 150X200; 170X75; 170Х110; 170X120; 170Х XI30; 170X150; 170X160; 170X200. Печатные проводники выполняют чаще всего из меди, алюминия, никеля или золота толщиной 20 - 70 мкм.

При выборе сечения, конфигурации и расстояния между проводниками исходя из допустимой плотности тока (менее 20 А/мм2), рабочего напряжения, условий теплоотвода и прочности сцепления .проводников с основанием. Ширина проводников печатных плат обычно составляет 1,5 - 2,5 мм, а расстояние между ними 0,3 - 1 мм. Для плат с повышенной плотностью монтажа ширину проводников и зазоры между ними уменьшают до 0,15 - 0,5 мм. Во избежание короткого замыкания припоем во время пайки минимальное расстояние между проводниками у мест соединения берут не менее 1,5 мм.

/ 2

а)Ю

Рис. 8.6. Печатные платы:

а - однослойная плата (1 - координатная сетка; 2 - печатные проводники; 3 - основание; 4 - металлизированные отверстия); б - трехслойная плата

Для установки микросхем и навесных деталей на плате просверливают и металлизируют отверстия, которые располагают в узлах координатной сетки (рис. 8.6,а). Обычно шаг сетки равен 25 или 125 мм, но иногда он может быть уменьшен до 0,5 мм. При шаге в 2,5 мм допуск на точность размещения отверстий со-ставпяет 0 13 мм, что сравнительно легко достигается с помощью современной технологии. Если требуется сделать шаг меньше, точность размещения отверстий возрастает, что увеличивает стоимость плат.

Диаметр отверстия исходя из условий пайки должен быть больше диаметра вывода микросхемы на 0,15 - 0,25 мм и в 3 раза меньше толщины платы. Вокруг монтажного отверстия создают контактную площадку на 0,6 - 1,5 мм больше диаметра отверстия.