Элементы электрических соединений

Элементы электрических соединений и электромонтаж занимают большое место в ЭС. Монтаж микросхем на печатные платы первого уровня, объединение элементов первого уровня на втором и т.д. – всюду требуется использовать различные методы выполнения соединений и монтажа, которые призваны обеспечивать электрическую и механическую прочность конструкции ЭС и неразрывность схемы. Так как число электрических соединений в ЭС достигает десятков и сотен тысяч, то правильному выбору методов соединений и их надежности следует уделять большое внимание.

Электромонтаж в конструкции ЭС должен:

- обеспечивать нормальную работу в заданных климатических и механических воздействиях на аппаратуру;

- соответствовать техническим условиям, принципиальным и электромонтажным схемам, таблицам соединений;

- обеспечивать высокую надежность электрического соединения;

- боть ремлнтопригодным;

- обеспечивать удобную и безопасную работу обслуживающего персонала;

- допускать возможность подключения контрольно-измерительной аппаратуры к любой точке схемы;

- боть технологичным и максимально автоматизированным;

- иметь максимально короткие длины связей и малый уровень наводимых помех.

Электрическое соединение должно:

- иметь прочность не ниже соединяемых элементов;

- иметь минимальное омическое сопротивление;

- не изменяться со временем;

- при выполнении не вносить изменения в соединяемые элементы;

- не иметь материалов вызывающих коррозию;

- контролироваться простыми и надежными средствами.

В настоящее время существует большое количество способов электромонтажа. На разных конструктивных уровнях используются различные способы его реализации. Так, на 1-м конструктивном уровне используется межконтактная пленочная коммутация и неразъемное контактирование. На 2 и 3 уровнях – печатный монтаж, контактирование пайкой или сварка, а с другими модулями – разъемами или пайкой. На более высоких конструктивных уровнях коммутация выполняется объемными проводниками, а конструирование – пайкой, сваркой, разъемами.

Трудоемкость электромонтажных работ составляет 40…60 % всей трудоемкости изготовления изделий, а от их качества зависит надежность ЭС при эксплуатации.

А. Внутриблочный монтаж.

- Внутриблочный монтаж выполняется объемным гибким проводом или плоским кабелем. Необходимо помнить о следующем:

- минимальный внутренний радиус изгиба проводника должен быть не менее диаметра проводника;

- провода питания (переменного тока) следует свивать для уменьшения возможных наводок;

- провода, подходящие к сменным элементам, должны иметь запас по длине позволяющим делать повторную заделку провода;

- провод не должен касаться острых металлических кромок;

- монтажные провода должны обеспечивать свободный доступ к элементам для контроля и ремонта;

- монтажные провода целесообразно свивать в жгут, при этом обеспечивается возможность расчленения монтажных операций на ряде более простых и монтажные работы удешевляются.

Жгут составляют из параллельно расположенных проводников. Экранированные провода и провода меньшего сечения располагают внутри жгута. Вяжут жгут нитками № 00 с шагом вязки 20…40 мм. Если РЭС работает в условиях механических воздействий, то перед обвязкой жгута обматывают киперной лентой.

Рис.9.9. Вязка жгута.

 Жгуты крепятся к стенкам блоков или шасси скобами, при этом между жгутом и металлической скобой обязательно должна боть прокладка изхлорвинила или лектрокартона. Скобы устанавливаются на расстоянии 10 диаметров жгута. В местах перехода жгута через металлические шасси или экраны устанавливаются изоляционные втулки

Рис.9.10.  Жгут со скобой

При переходе жгутов с неподвижной части на подвижную их распологают так, чтобы они работали на изгиб, а не кручением. Это уменьшает вероятность обрыва проводников. Подвижные части жгутов заключают в эластичные трубки, что защищает их от повреждений. Выбор монтажного проводника производится в зависимости от протекающего тока и допустимого перегрева проводника.

Марки и сечения проводников для объемного монтажа в ячейках и блоках имеют широкую номенклатуру и их применение зависит от изделия.

Электрическое соединение монтажных проводов на печатной плате осуществляется использованием металлизированных отверстий, переходных пистонов и монтажных лепестков. Выступающая часть жылы монтажного провода над поверхностью платы не должна превышать пределов 0,5…1,6 мм. Необходимо механическое закрепление монтажных проводов у места электрического присоединения. Для этого можно применять специальные колодки.

   Б. Разъемные соединения.

   Разъемное электрическое соединение ячеек и субблоков с блоком осуществляется с помощью разъемных соединителей. Разъемный соединитель (разъем) состоит из вилки и розетки. В состав вилки входят штыри контактных пар, а в состав розетки – гнезда контактных пар. Кроме них конструкция разъема включает в себя ловители, ключ и элементы крепления разъема. Ловители обеспечивают совмещение штырей и гнезд контактных пар, ключ предназначен для исключения неправидьного сочленения вилки и розетки. В некоторых случаях применяется замок для фиксации сочленения.

   Большое распространение получили разъемы типа ГРПМ (гиперболоидный разъем, прямоугольный, малогабаритный). Гиперболоидное соединение – самое надежное соединение. Особенность его – наличие контактной гиперболоидной многоточечной поверхности в паре штырь-гнездо, образующейся между гладким цилиндрическим штырем и несколькими упругими бронзовыми проволоками, расположенными под углом 8⁰ к образующей по внутренней поверхности цилиндрического гнезда.

                                

                               Рис.9.11. Гиперболоидное соединение.             

Электрические соединители применяются для внутриблочного печатного и объемного монтажа и для межблочного объемного монтажа.

Выступающая часть выводов в местах пайки над поверхностью платы не должна превышать 0,5…1,6 мм.

Розетки таких разъемов устанавливаются на шасси блоков и панелей, электрическое объединение их выводов производится методом объемного монтажа.

Рекомендуемые типы соединителей приводятся в справочной литературе. При выборе того или иного типа разъема следует учитывать его технические и эксплуатационные характеристики и количество контактных пар.С целью повышения ремонтопригодности следует предусматривать резервные контактные пары в количестве 10% от числа необходимых по электрической схеме, но не менее двух.

      В. Плоские кабели и шлейфы.

В последние годы для электрического соединения ячеек, субблоков, блоков, стоек, шкафов используются плоские кабели, существенно облегчающие сборку, наладку, ремонт и эксплуатацию ЭС.

По технологии изготовления плоские кабели делятся на:

Ламированные кабели, представляющие собой проводники круглого или прямоугольного сечения, помещенные между двумя слоями термопластичной изоляции. При протягивании между двумя профилированными нагретыми валками под действием тепла и давления слои полихлорвинила склеиваются. (Рис.9.11. с плоскими проводниками, с круглыми, с изолированными круглыми).

 

Рис.9.11. Ламинированные кабели

Клееные кабели изоготавливаются склеиванием параллельно расположенных проводников в результате термообработки (Рис.9.12).

Рис.12. Клееные кабели.

Штампованные или экструдированные кабели изготавливаются выдавливанием на экструдере. Экономичны в массовом производстве. Изолирующий материал – полихлорвинил или фторопласт. Расстояние между проводниками выдерживается с точностью +0,05.

Рис.9.13. Штампованные кабели.

 

Тканые кабели состоят из круглых изолированных проводников, скрепленных переплетающихся капроновых нитей. Можно соединять проводники различного диаметра и различной изоляции. Используют скрученные проводники, рис.9.14.

Рис.9.14. Тканые кабели.

 

Увеличение быстродействия ЭС потребовало такого кабельного соединения, которое, наряду с технологичностью, обладало бы большой полосой пропускания высококачественных импульсов с однородными передаточными характеристиками. Так появились гибкие печатные кабели, чаще называемые гибкими шлейфами, выполненные из тонкого фольгированного диэлектрика толщиной 0,1…0,4 мм. Плотность проводящего рисунка определяется шагом расположения печатных проводников и составляет 1,25 или 2,5 мм. Они сгибаются, сворачиваются в рулон. Длина его обычно не превышает 50 см. Для электрической изоляции со стороны печатных проводников шлейфы покрываются несколькими слоями изоляционного лака или клеящейся пленки. Большая поверхность теплоотдачи позволяет допускать большие плотности токов (до 20 А/мм²).

Гибкие кабели устанавливают с одной стороны платы. Зачищенные проводники могут быть припаяны к печатным контактным площадкам, запаяны в металлизированные отверстия платы или навиты на металлические штыри. Для обеспечения надежности соединения кабели прижимаются к плате прижимными устройствами типа планок или колодок. Гибкие шлейфы с металлизированными отверстиями устанавливают на платы на штыри с последующей опайкой или с помощью специальной присоединительной головки.

 

Рис. 9.15 Установка гибкого шлейфа на ПП.       

Если на гибком шлейфе контактные площадки, то эти площадки подпаиваются к соответствующим контактным площадкам на плате внахлест с последующим прижатием планкой или специальной прижимной головкой.

                    

Рис. 9.16 Гибкий шлейф с контактными площадками.

Одним из лучших вариантов внутриблочного соединения в ЭС является применение многослойной гибкой полиимидной платы.

1- функциональный узел;

2- многослойная гибкая полиимидная плата;

3- шлейф на полиимидной пленке;

4- многослойная гибкая полиимидная плата внутриблочной коммуникации.

 

Рис. 9.17 Многослойная гибкая плата.

В данной компоновочной схеме один и тот же конструктивно-технологический вариант (многослойная гибкая полиимидная плата) использован и для внутриячеечного соединения между бескорпусными микросборками, БИС и ЭРЭ, и для внутриблочного соединения функциональных узлов меду собой. Промежуточным звеном коммуникации являются двухуровневые гибкие шлейфы, изготовляемые по той же технологии, что и многослойные гибкие полиимидные платы. Это позволяет из-за унификации конструктивно-технологических решений двух уровней коммутации снизить стоимость и время разработки, использовать вычислительную технику для трассировки.

Значительную проблему представляет размещение в корпусе большого числа контактов. Поэтому разрабатываются соединители с большой плотность соединения контактов. Наиболее распространенными остаются соединители с шагом 2,5 мм. Однако быстро расширяется номенклатура с шагом 1,27 и даже 0,63 мм. Контакты располагаются многорядово, до 5-ти рядов (чаще - трехрядовые).

Увеличение контактов более 100 при нормальном усилии сочленения на 1 контакт 70-140 г приводит к недопустимо большой общей его величине, вызывающей разрушение элнментов конструкции. Решением этой проблемы стало создание соединителей с малым и нулевым усилением сочленения (МУС и НУС). Надежное контактирование в большинстве соединителей с МУС достигается благодаря очистке контактов в результате трения их поверхностей при контактном давлении до 100 г. Другим способом сохранения достаточно большого контактного давления является применение золоченых контактов с графитовой пропиткой или тонкого слоя специальной смазки. Однако смазки собирают пыль и не выдерживают температуры пайки волной. Уменьшение усилия сочленения достигается так же и оптимизацией геометрии контактов.

В соединителях с НУС надежность электрического соединения обеспечивается высоким контактным давлением (порядка 150 г). Нулевое усилие при стыковке и расстыковке обеспечивается специальными ключами и зажимами.

а) обычный торцевой разъем                  б) НУС – разъем

Рис. 9.18. Конструкция разъемов.

       

Сейчас появилась тенденция уменьшения золотого покрытия контактов из-за дороговизны и даже исключения пайки как трудоемкого процесса для большого количества контактов. Для упрощения подключения соединителя к гибкому шлейфу распространение получает способ прорезания изоляции контактами разъема, имеющими режущие кромки.

Повышает ремонтопригодность блоков применение внутриблочной коммутации на эластичных соединителях, размещаемых по периферии платы и при сжатии конструкции шпильками обеспечивают электрическую связь между контактными площадками соседних ячеек.

Соединители с контактами-фильтрами эффективно защищают от электромагнитных помех, наводимых по линии питания. Но они дороги и применяются в военной технике.

Следующий шаг к микроминиатюризации коммутационных схем – оптические волноводные линии связи. Построение МЭА в этом случае осуществляется так: обработка происходит как обычно – МСБ, БИС, МС, а соединение между ними – оптическими методами. Внутриблочные соединения могут быть целиком выполнены на основе элементов интегральной оптики, а межблочные – многоканальной волоконнно-оптической линией связи.

Элементная база интегральной оптики (волновод, модулятор и ответвитель) уже разработана и технические характеристики изучены. Ее особенностью является совместимость с технологией кремниевых МС. Применение оптических линий связи позволяет кардинально улучшить характеристики линий.

Кабельным сетям присуща низкая технологичность, слабая защищенность от наводок, большая масса, необходимость согласования связей с нагрузками и др. Замена кабелей гибкими шлейфами не устраняет ряда недостатков, характерных для линий большой протяженности. Замена кабелей на волоконно-оптические линии связи приводит к принципиально новому техническому решению – замене носителя сигнала в линии связи. Если в металлических проводах происходит движение электронов, то в стеклянных или полимерных волокнах распространяется световая волна. Это обеспечивает существенное изменение эксплуатационных и конструктивных параметров: выигрыш по массе - в 50…100 раз, по габаритам – в 5…20 раз, увеличение эффективной полосы пропускания до нескольких гигагерц, высокую помехоустойчивость, высокую пропускную способность (до 500 Мбит/с) и др.

Технические возможности для использования волоконно-оптических линий связи реализованы: промышленно  изготавливаются источники и приемники оптического излучения – светодиодные и фотодиодные матрицы с

малым шагом расположения элементов, есть волоконно-оптические кабели, собранные из единичных оптических волокон с полным диаметром 70…300 мкм.

 

1- единичное световолокно; 2- фиксирующая оболочка жгута.

 

Рис. 9.27 Волоконно-оптический кабель.

В качестве источников излучения используются инжекционные диоды с длиной волны излучения в области максимума пропускания оптических волокон и максимума чувствительности кремниевых фотоприемников, т.е. в области 0,8…0,9 мкм. Несмотря на то, что излучение в этой области не воспринимается глазом, на инжекционные излучатели распространяется термин «светодиоды». Светодиоды обладают высокой эффективностью излучения, достигающей 30%, и значительной долговечностью, превышающей 10000 ч. Практически решена проблема изготовления матриц интегрального исполнения с высоким разрешением, и тем самым обеспечена возможность микроминиатюризации передающего блока.

В качестве приемников излучения возможно использование линейных матриц фотодиодов. В качестве усилителя созданы МСБ размерами 15x24x0,5 имеющих полосу пропускания 30 МГц.

Волокна на обоих торцах многоканальных оптических кабелей должны быть расположены упорядоченно с шагом, соответствующим шагу светодиодных и фотодиодных матриц, т.к. торцы кабеля должны фиксироваться и совмещаться с выходным изображением блочной платы, а так же с входами блочной платы на другом блоке. Обеспечению этой сложной задачи служат специальные волоконно-оптические соединители. Созданием таких соединителей очень активно занимаются за рубежом и сейчас ожидается значительное увеличение на рынке волоконно-оптической техники.

Волоконно-оптические линии связи имеют и другие преимущества:

- широкополостность; -высокое качество передачи, связанное с отсутствием взаимных помех между каналами, высокой помехозащищенностью и помехоустойчивостью;

- -сокращение состава и габаритов используемой аппаратуры;

- отсутствие искрений и угрозы возгорания; -экономия цветных металлов. В сочетании с микроминиатюризацией ЭС волоконно-оптические линии связи обеспечивают компоновку на качественно новом уровне.

Контрольные вопросы к главе 9.

 

1. Понятия помехи, помехоустойчивости, электромагнитной совместимости.

2. Классификация помех.

3. Способы обеспечения помехоустойчивости ЭС; принципы и основные элементы защиты.

4. Характеристики экранов.

5. Виды экранов; принципы их действия и материалы.

6. Особенности конструкций электромагнитных экранов.

7. Понятие электромонтажа и паразитных связей.

8. Электрически длинные и короткие линии; их место в конструкции современных ЭС.

9. Связь конструктивных и электрических параметров электромонтажных линий и ее оценки.

10. Приемы уменьшения наводок в соединительных цепях.

11. Уменьшение помех в шинах питание и земли.

12. Конструкции элементов заземления в ЭС.

13. Требования к конструкции электрических соединений.

14. Выполнение внутриблочного монтажа.

15. Разъемные соединения.

16. Выполнение плоских кабелей.

17. Гибкие кабели (шлейфы); их установка.

18. Развитие конструкций разъемов.

19. Оптические волноводные линии связи.