Цель работы
Изучение уровней и методов компоновки МЭА, разработка двух вариантов конструкции функциональной ячейки (ФЯ) одинакового назначения (одинаковая функциональная сложность) на различной элементной базе и сравнительный анализ разработанных вариантов по заданному комплексу критериев.
Теория
Ячейка —это конструктивно законченная сборочная единица, состо-
ящая из микросхем, микросборок, навесных ЭРЭ и элементов коммутации
и контроля, установленных на одну или несколько печатных плат. Ячей-
ка, как правило, не имеет самостоятельного эксплуатационного назна-
чения.
В процессе проектирования ФЯ необходимо решить следующие задачи:
— выбрать вариант конструкции ячейки;
— осуществить рациональную компоновку конструктивно-технологи-
ческих зон на печатных платах ячейки;
— выбрать типоразмеры ПП;
— определить тип электрического соединителя;
— выбрать элементы крепления контроля и фиксации;
— выбрать метод изготовления ПП;
— выбрать компоновку микросхем, МСБ и других ЭРЭ на ПП;
— обеспечить нормальные тепловые режимы;
— защитить ячейки от механических перегрузок ит.д.
ФЯ первого типа представляет собой печатную плату с контактами площадками, контактной колодкой для контроля, разъемом (или зоной контактных соединительных штырей) и элементами межъячеечного крепежа, на которой распаянакорпусированные микросхемы. Для повышения вибропрочности ФЯ печатная плата может быть укреплена в механической основе (рамке).
Компоновочная схема ФЯ второго типа, сконструированных на металлических рамках с применением бескорпусных МСБ. могут быть трех видов: односторонние, двусторонние и сдвоенные (рис.4). Бескорпусные МСБ представляют собой гибридные ИС, состоящие из подложек с пассивными элементами (проводниками, резисторами) и укрепленными на них с помощью клея бескорпусными компонентами (интегральными полупроводниковыми схемами, транзисторами, конденсаторами серии К 10 и т.д.).
Исходные данные
Для варианта 4 соответствуют варианты конструкций ячеек 3 на ИМС и 5 на бескорпусных микросборках. Данные для проектирования функциональных ячеек приведены в табл. 1.
Таблица 1. Исходные данные.
| № варианта | Тип корпуса | Размеры корпуса и МСБ (мм) | Установочные размеры КТЕ (мм) | Кол-во элементов в КТЕ | Масса КТЕ (г) | Затрата мощн. КТЕ (мВт) | Компон. Схема |
| 151.15-4 | 19, 5х14, 5х5 | 19, 5х14, 5х5 | одностороняя | ||||
| б/к | 24*30*2 | 24*30*2 | 1,5 | сдвоенная |
Количество элементов (транзисторов, диодов..) на ячейку 
Функциональная ячейка на ИМС
1.1. Вариант конструкции ФЯ на корпусированных ИС
1) Расчет по известной сложности устройства и количеству элементов в КТЕ необходимое суммарное количество элементов:
Nф = 2400
NКТЕ = 15
Суммарное количество элементов будет равно: 
Отсюда 
Такое количество элементов нельзя разместить на одной печатной плате. Поэтому следует реализовать двуплатную ячейку блока разъемной конструкции.
2) Корпус, разъем и краевые поля.
Рис.1. Корпус 1203(151.15-4)
Для функциональной ячейки требуется разъём с угловым расположением контактов. Выберем разъём типа ГРПМ9-30ШУ1-В.
Соединители электрические низкочастотные прямоугольные ГРПМ9-30ШУ1-Вимеют гиперболоидные контакты, предназначены для работы в электрических цепях постоянного, переменного (частотой до 3 МГц) и импульсного токов, обеспечивают соединение печатных плат с объемным монтажом и печатных плат между собой, соединители ГРПМ9У взаимозаменяемы и взаимосочленяемы с соединителями ГРПМ9 Ке0.364.009 ТУ.
Технические характеристики:
| Ток, А, не более | |
| Напряжение, В (ампл.) | |
| Сопротивление контактов, Ом, не более | 0,008 |
| Сопротивление изоляции, МОм, не менее | |
| Электрическая прочность изоляции, В (ампл.) | |
| Емкость между любыми соседними контактами, пФ, не более | 2,5 |
| Усилие расчленения соеденителей, Н (кгс) | От 20 (2,0) до 90 (9,0) |
| Количество сочленений-расчленений | |
| Гамма-процентная наработка при γ=99%, ч | |
| Гамма-процентный срок сохраняемости при γ=97,5%, лет |
Структура условного обозначения:
ГРПМ9-30ШУ1-В
ГРПМ - соединитель прямоугольный малогабаритный с гиперболоидными гнездами;
9 - порядковый номер разработки;
30 - количество контактов;
Ш - тип контакта: Ш - штыревой; Г - гнездовой;
У - тип хвостовика: О - для объемного монтажа; П - для прямого монтажа в отверстие печатной платы; У - для углового монтажа в отверстие печатной платы;
1 - покрытие контактов: 1 - золото; 2 - серебро;
В - все климатическое исполнение по ГОСТ В 20.39.404.
Рис.2. ГРПМ9-30ШУ1-В, где: А=68 мм, А1=68 мм, А2=52,5 мм, А3=7,75 мм, Lmax=78 мм, n=14.
Рис.3. Геометрия печатной платы: Lп, Bп – длина и ширина ПП; L0, B0 – длина и ширина корпуса ИС; L0x, B0x– шаг установки ИС; L1, B1 – длина и ширина зоны установки ИС(S); x1, x2, y1, y2 –краевые поля ПП.
Краевые поля: расстояние от верхнего края выбирается в соответствии с размерами элемента крепления ФЯ к блоку, кратно основному шагу сетки.
Таким образом, y2 = 15 мм.
От боковых краев ПП –x1 = x2 = 10 мм.
От нижнего края ПП – в соответствии с размерами разъемаy1 = 10 мм.
3) Определение шага установки микросхем и величины зазора между ними.
Шаг сетки выбирается равным 2,5 мм.
Шаг установки по оси X выбирается равнымLx0 = 25 мм
Шаг установки по оси Y выбирается равнымLy0 = 20 мм
Воздушный зазор между ИМС ∆x= 5,5 мм; ∆y= 5,5 мм
4) Определение числа рядов микросхем по осям Х и У, а также значений коэффициентов зазоров Кx, Ку.
Для одной платы число строк микросхем m = 10;
число столбцов микросхем n = 8.
Коэффициенты зазоров вычисляются по формулам:
5) Расчет площади печатной платы, необходимой для размещения корпусированных микросхем и выбор её стандартных размеров.
Площадь ПП рассчитывается по следующей формуле:
Отсюда получим, что S = 48375мм2
Такую площадь можно получить, выбрав размер ПП 230х230мм (S=52900мм2)
6) Расчет параметров ФЯ.
Для изготовления печатных плат, из которых состоит ФЯ, выбирается стеклотекстолит фольгированный марки СФ-1-35 толщиной d=2 мм.
Высота разъема hр = 9,5 мм
Высота корпуса ИМС hИМС = 5 мм
Высота пайки элементов hп = 1 мм
Высота функциональной ячейки вычисляется по формуле:
Отсюда HФЯ = 24,5 мм
Полный объем ФЯ на корпусированных микросхемах равен:
Отсюда 
Качество компоновки ФЯ наиболее полно может быть охарактеризовано коэффициентом дезинтеграцииq, равным отношению суммарного объема ФЯ 
к ее полезному объему Vп, который равен объему, занимаемому только корпусами микросхем:
где
Отсюда получим, что q = 5,73
В качестве других критериев для сравнения конструктивных вариантов ФЯ одной и той же функциональной сложности и одного назначения, кроме коэффициента дезинтеграции, рекомендуется использовать:
массу ФЯ mя, кг,
объем ФЯ Vя, дм3;
удельную массу ячейки mфя’, кг/дм3;
удельную мощность рассеивания - Руд, Вт/дм3;
плотность упаковки g, эл/см3.
Расчёт массы ФЯ:
где:
mпп- масса печатной плата (стеклотекстолит); 
=1.85 г/см3;
отсюда:
mпп=Vпп =2·0,2·23·23·1,85=391,46 г
mимс - масса всех ИМС, входящих в ФЯ
mимс=160·3 г =480 г
mнак- накладка из алюминиевого сплава Ал9 (фиксатор);=2,66 г/см3
mнак=11.361x2.66=30.22 г
mзакл - масса крепежных элементов
mзакл=10х0,642+10х0,272+2х0,741+2х12,3=35,22 г
mр - масса разъема
mр =19+21,5=40,5 г
Удельная масса ячейки:
Удельная мощность рассеяния ячейки:
Плотность упаковки: 