Программа курса и методические указания

Раздел 1. «Введение. Основные проблемы конструирования и производства радиоэлектронных средств» (2 часа).

Лекция 1

Введение. Основные проблемы конструирования и производства радиоэлектронных средств. Эволюция и поколения РЭС, классификация РЭС; объекты-носители и условия эксплуатации РЭС. Цикл жизни РЭС и основные этапы проектирования конструкций и технологий конкурентоспособной РЭС.

Самостоятельное изучение.

Модели РЭС и функции чувствительности; методы анализа, синтеза и оптимизации технических решений. Основные положения государственной системы стандартизации; Единая система конструкторской документации (ЕСКД); классификатор ЕСКД; документооборот в системах сквозного проектирования конструкций и технологий РЭС.

Раздел 2. «Основные этапы разработки РЭС. Методы проектирования. Этапы процесса проектирования» (2 часа).

Лекция 2

Уровни функционального и конструктивного разукрупнения РЭС; элементная база конструкций и принципы построения конструкционных систем РЭС. Элементная база электрорадиокомпонентов РЭС: состав, основные параметры, эволюция активного элемента, порядок применения в конструкциях РЭС.

Самостоятельное изучение.

Понятия блочного, функционально-узлового и функционально-модульного методов проектирования; проектирование конструкций узлов I-го уровня (печатные платы) аналоговых и цифровых устройств; методы и способы межмодульной и межблочной коммутации.

РАЗДЕЛ 3. Теплообмен в РЭС (4 часа).

Лекция 3

Теплообмен в РЭС. Законы теплопроводности, конвекции и излучения, определяю­щие теплообмен в РЭС. Сложный теплообмен и построение тепловых моделей конструк­ций РЭС.

Самостоятельное изучение

Проблемы теплообмена в РЭС, механизмы теплопередачи; методы и средства обеспечения тепловых режимов РЭС, их расчет и моделирование.

Лекция 4

Этапы проведения расчетов тепловых режимов РЭС. Методика проведения расчета радиаторов.

Самостоятельное изучение

Типы радиаторов, игольчатый, пластинчатый, штыревой. Понятия критериев подобия – критерий Нуссельта, Прандтля, Грасгофа.

Раздел 4. «Защита РЭС от механических воздействий» (2 часа).

Лекция 5

Виды и параметры механических воздействий на РЭС со стороны объекта-носителя; понятие динамического состояния конструкции и его анализ.

Самостоятельное изучение

Расчет параметров динамических состояний пластинчатых конструкций и механических систем с сосредоточенной массой при вибрационных и ударных воздействиях. Методы и способы защиты РЭС от механических воздействий, механические фильтры и системы амортизации.

Раздел 5 «Защита РЭС от атмосферных воздействий» (2 часа).

Лекция 6

Проблемы влагозащиты РЭС, механизмы влагопроникновения; методы и способы влагозащиты; контроль герметичности и влажности.

Самостоятельное изучение.

Размещение аппаратуры на различных типах носителей. Отличие конструирования от класса по климатическом исполнениею.

Раздел 6 «Действие проникающей радиации на РЭС и его компоненты» (2 часа).

Лекция 7

Виды, параметры, единицы измерения и источники ионизирующих излучений (ИИ), механизмы взаимодействия ИИ с веществом и последствия этих взаимодействий для материалов конструкций и электрорадиокомпонентов РЭС, понятие их радиационной стойкости.

Самостоятельное изучение.

Методы и средства защиты РЭС от воздействия ИИ, расчет параметров защиты. Естественный фон и воздействие радиации на германиевые и кремниевые полупроводниковые приборы.

Раздел 7 «Электромагнитная совместимость РЭС» (2 часа).

Лекция 8

Паразитные электрические связи в конструкциях РЭС: источники помех, каналы их передачи и рецепторы; кондуктивная, емкостная и индуктивная паразитные связи и способы борьбы с ними.

Самостоятельное изучение.

Механизмы экранирования электрических, магнитных и электромагнитных полей в диапазоне частот, конструкции экранов и расчет их параметров; методы помехозащиты и шумоподавления в линиях связи.

Раздел 8 Надежность РЭС (6 часа)

Лекция 9

Надежность РЭС, методы оценки и обеспечения надежности. Основные понятия теории надежности РЭС.

Самостоятельное изучение.

Основные понятия и определения надежности. Параметрическая надежность и методы ее анализа. Функция влияния и коэффициент влияния и методы его определения. Учет температурных погрешностей и старения элементов при расчете параметрической надежности.

Лекция 10

Причины возникновения отказов РЭС. Математические методы оценки надежности РЭС.

Самостоятельное изучение

Среднее время наработки на отказ. Основные показатели надежности, вероятность безотказной работы и вероятность отказа в единицу времени. Этап приработки РЭС.

Лекции 11

Оценка надежности ремонтируемых и неремонтируемых РЭС. Оценка параметрической надежности. Обеспечение надежности на этапах проектирования.

Самостоятельное изучение.

Расчет надежности по внезапным и постепенным отказам. Характеристики надежности и связь между ними. Влияние коэффициента электрической нагрузки и параметров внешних воздействий на интенсивность отказов элементов. Эквивалентные схемы РЭС для расчета надежности. Методы повышения надежности. Резервирование и его виды.

Раздел 9 «Контроль и прогнозирование качества РЭС. Управление качеством РЭС на предприятии» (2 часа).

Лекция 12

Качество изделий и удовлетворенность потребителя; объекты качества; концепции управления качеством; инструменты контроля и управления качеством; понятия и роль логистики; стандарты качества.

Самостоятельное изучение.

Классификация видов испытаний РЭС. Программы и методики испытаний; климатические, механические испытания РЭС и испытательное оборудование, обработка результатов испытаний; автоматизация испытаний.

Раздел 10 «Технологические процессы в РЭС.» (4 часа).

Лекция 13

Технологические процессы в РЭС. Основные понятия и определения.

Самостоятельное изучение.

Технологии производства коммутационных оснований; технологические процессы сборки и регулировки РЭС.

Лекция 14

Технологический процесс изготовления печатных плат.

Самостоятельное изучение

Изготовление многослойных печатных плат. Печатные платы для высокочастотных РЭС. Применение материалов для печатных плат, их свойства.

Раздел 11 «Технология производства микросхем». (4 часа).

Лекция 15

Технологические процессы производства интегральных схем.

Самостоятельное изучение

Особенности проектирования гибридных интегральных схем различной степени интеграции. Особенности проектирования систем на кристалле.

Лекция 16

Технологический процесс производства тонкопленочных и толстопленочных микросхем.

Самостоятельное изучение

Требования к технологическому процессу эпитаксиального осаждения тонких пленок. Основные этапы и разделение по принципу формирования тонкопленочных и толстопленочных гибридных интегральных схем.

Раздел 12 «Патентно-правовые показатели конструкции РЭС» (2 часа).

Лекция 17

Единая система технологической документации понятие технологичности конструкции, методы ее оценки и обеспечения.

Самостоятельное изучение

Этапы получения патента на изобретение конструкции, патентование алгоритма, методики, метода, программного комплекса.

Курс лекций

СТРУКТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ

ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

План

1. Конструкция ЭС как система.

1. Свойства конструкций ЭС.

1. Структурные уровни.

1. Классификация электронных средств.

Конструкция ЭС как система

Понятие “система“ в технике означает сложную совокупность объектов и связей между ними, предназначенную для реализации заданных функций. Как любая сложная сборочная единица машиностроения или приборостроения, конструкция ЭС отвечает трём главным условиям совместимости: возможности композиции и декомпозиции, образованию при композиции новых качеств, не равных сумме свойств исходных частей , наличию иерархического порядка в структуре. Первые два условия системности означают, что в результате процесса конструирования (композиции) должно быть найдено и отражено в конструкторской документации новое структурное образование – конструкция ЭС (или их частей), составленное из входящих в него готовых (покупных) и вновь спроектированных частей, причём это структурное образование должно обладать новыми качествами, не равными сумме свойств входящих в него частей.

Третье условие системности ( иерархический порядок ) проявляется в разделении конструкции на структурные уровни, или уровни входимости. Это значит, что высокий уровень структуры конструкции составляется из частей её, относящихся к более низким уровням, или в терминах конструкторской документации ( КД ) : составная часть, относящаяся к более низкому уровню входимости, входит в спецификацию части более высокого структурного уровня.

Свойства конструкций ЭС

Каждая конструкция характеризуется определённой системой свойств, по которым возможно качественное или количественное сравнение конструкций.

Количественные оценки свойств конструкции называют параметрами конструкции ( У ).

Качественно свойства конструкции отображаются её структурой (S),которая определяется схемой внутренних и внешних связей. Последние могут быть следующих типов:

-геометрические,

-механические,

-электрические,

-магнитные,

-тепловые и т.п.

Одни и те же свойства конструкции могут быть получены в результате реализации различных структур.

Для представления абстрактной модели конструкции ЭС может быть использован аппарат теории множеств.

Если обозначить

множество структур через S={S_i, i=1,2,…,n},

множество параметров Y={Y_j, j=1,2,…,m} и

множество взаимодействий X={X_k, k=1,2,…,l},

то абстрактная модель выразится как

К=S∩Y,

где ∩-символ пересечения множеств S и Y,

S_i=S(S₁,S₂,…,S_n; y₁,y2,…,y_n; x₁, x₂,…,x_l, t),

Y_j выражается аналогично.

Иначе говоря, как сами некоторые структуры, так и их параметры, а в общем это свойства конструкции К, являются функциями большого числа факторов, связанных с внешними воздействиями, параметрами элементов и схемами связей между ними и внешней средой; причём многие из этих факторов взаимозависимы и часто при анализе модели неизвестны.

Выводы:

1. Формализация процесса конструирования с математической точки зрения является плохо формулируемой задачей.

2. Для конструирования ЭС в целом сейчас нельзя установить алгоритм этого процесса, пригодный для ЭВМ.

3. Для частных формализуемых задач конструирования ( выбора номиналов, допусков, оптимального размещения и трассировки и т.п. ) применение алгоритмов не только возможно, но и необходимо в конструкторской практике.

4. Процесс конструирования сводится в настоящее время к логико-математическому поиску оптимума при последовательном усовершенствовании исходного варианта, получаемого на основе приемственности и требований ТЗ.

Для практических целей были разработаны 36 кодифицированных свойств конструкций ЭС, объединённых в пять групп ( табл. 1.1 )

Таблица 1.1

Функциональная внутренняя связь	Совмести- мость	Надёжность	Технологи- чность	Патент- ность
Электрическая (включая допусковые вопросы)   Электромагнитная   Тепловая   Пространственная (включая расположение центра тяжести)   Механическая (включая расположение центра жёсткости)	С объектом:пространственная, весовая, электрическая, электромагнитная     С оператором эргономическая, эстетическая	Безотказность при воздействии: вибрации, ударов, линейных ускорений, тепла, тепловых ударов, холода, влаги, брызг, воды, химической среды, плесени, пыли, песка, радиации, давления   Долговечность   Сохраняемость   Ремонтнопригод- ность   Количество ЗиП	Унификация и стандартизация     Преемствен- ность     Однородность комплектации     Собираемость и стыковка   По деталям и узлам собственного производства   По материалам	Патентно-способность     Патентная чистота.

Как видно из таблицы, эти группы свойств конструкции ЭС отражают собственно те группы требований к конструкции, которые предъявляются её создателями – разработчиками и изготовителями и её потребителями, а именно:

-техническими требованиями,

-производственно – технологическими,

-эксплуатационными,

-юридическими.

Первая группа требований определяется электрическими и механическими выходными параметрами такими как, например, чувствительность приёмника, выходная мощность передатчика, быстродействие ЭВМ, диапазон рабочих частот, вес, габариты и т.п., а также степенью устойчивой работы ЭС в условиях электромагнитных наводок и внутренних перегревов.

Вторая группа отражает в основном требования технологичности, серийноспособности и экономичности ЭС.

Третья группа требований включает в себя вопросы обеспечения надёжности, ремонтопригодности, готовности ЭС, а также вопросы эргономики и технической эстетики. Причём требование надёжности может, в свою очередь, быть раскрыто более полно, как требования обеспечения вибро-и ударопрочности, виброустойчивости, температурной стабильности, влагозащищённости, герметичности и т.д.

В таблице свойства конструкции, обеспечение которых удовлетворяют первой группе требований, подчёркнуты сплошной линией, второй группе – пунктиром и третьей – штрих-пунктиром.

Юридические требования вполне однозначно определяются патентными свойствами.

Структурные уровни

Структурное дробление конструкции даёт экономические преимущества при разработке, производстве и эксплуатации ЭС и преследует три цели:

1) параллельное конструирование частей;

2) параллельное изготовление частей;

3) повышение ремонтопригодности.

Параллельное конструирование частей, входящих в конструкцию, значительно ускоряет процесс конструирования. Оно возможно благодаря выполнению условий размерной совместимости, предусматривающей взаимное назначение для сопрягаемых частей габаритных и присоединительных размеров, а также совмещаемых электрических параметров в пределах предусмотренных допусков. Параллельное изготовление частей, входящих в различные структурные уровни, идёт по независимым производственным циклам, соприкасающимся только при сборке конструкции. Это ускоряет производство в десятки раз. Ремонтопригодность при эксплуатации повышается благодаря упрощению поиска неисправностей и возможности ремонта агрегатным способом, т.е. путём замены крупных частей. В дальнейшем возможен ремонт этих частей.

Каждая конструкция ЭС в зависимости от назначения имеет свою, присущую ей конкретную структуру. Однако требования стандартизации налагают ограничительные рамки на это разнообразие. Можно представить некоторую обобщённую таковую структуру и на её основе рассмотреть в общем виде основные структурные особенности, справедливые в принципе для всех конструкций.

Типовая структура конструкции современных ЭС состоит из электрической базы как исходного функционального материала и четырёх уровней, от нулевого до третьего, из которых нулевой и первый называются низшими, а второй и третий – высшими Элементная база состоит из электрорадиоизделий ( ЭРИ ), входящих в перечень элементов электрической принципиальной схемы ЭС ( или частей ) как комплектующие изделия. ЭРИ включают в себя следующие классы:

1) электрорадиоэлементы ( ЭРЭ ) – дискретные резисторы, конденсаторы, кварцевые фильтры и т.п., моточные изделия ( трансформаторы, дроссели, катушки индуктивности, электромагнитные линии задержки и др.) ;

2) электровакуумные изделия ( ЭВИ ) – радиолампы, электронно-лучевые приборы, электрические световые табло и т.п.;

3) полупроводниковые приборы ( ППП ) – транзисторы, тиристоры и т.д.;

4) интегральные схемы (ИС ) ;

5) изделия электропривода и автоматизации ( ИЭПА );

6) контрольно-измерительные приборы (КИП );

7) коммутационные изделия ( КИ );

8) микропроцессорные компоненты ( МПК );

9) волоконно – оптические кабели с соединителями ( ВОКС ).

Элементная база – ещё не конструкция ЭС. Конструкция начинается с функционального узла. Функциональный узел представляет собой первичное структурное образование и относится к нулевому структурному уровню. Существуют три разновидности функциональных узлов: микросборки, печатные узлы и гибридно-интегральные узлы.

Микросборки относят к подуровню нулевого уровня структуры РЭС. Они входят в состав печатных узлов ( корпусные микросборки ) и гибридно-интегральных узлов ( бескорпусные микросборки ).

Как показано на рис1.1, схема структуры ЭС имеет две параллельные ветви: по печатному ( левая часть схемы ) и гибридно-интегральному исполнению узлов ( правая часть ). В современных ЭС находят применение оба конструктивно-технологические исполнения.

Первый уровень состоит из модулей, второй из блоков, а третий представляет собой окончательно оформленную конструкцию РЭС в целом, т.е.самостоятельное в эксплуатационном отношении изделие в виде сборочной единицы.

В зависимости от сложности конструкции ЭС различают комплексы, системы, радиоэлектронные устройства ( РЭУ ), блоки, функциональные узлы ( ФУ ),детали. Такое деление отличается от положениями ЕСТД (комплексы-сборочные единицы-детали ); однако на практике оно наиболее распространено.