Важную роль в обеспечении высоких технических и эксплуатационных характеристик современной радиоэлектронной аппаратуры играет применение современных конструкционных материалов и технологий производства. Поэтому при проектировании любого РЭС необходимо уделять пристальное внимание вопросам выбора используемых материалов, покрытий и технологических процессов.

Разрабатываемое устройство имеет среднюю плотность компоновки. Все ЭРЭ располагаются с одной стороны печатной платы. Для размещения печатных проводников необходимо использовать 8-слойную структуру.

Материал для печатной платы выбирается исходя из рабочего диапазона температур и функциональных требований, предъявляемых к плате.
Разрабатываемое устройство предназначено для работы в умеренных климатических условиях поэтому, в соответствии с ОСТ 4.077.000, в качестве диэлектрика необходимо использовать материалы на основе стеклоткани.

Структурные элементы РЭС каждого конструктивного уровня (плата, блок, стойка) содержат большое количество тепловыделяющих элементов (резисторы, трансформаторы, диоды, микросхемы и т. д.), что приводит к повышению температуры внутри устройства, особенно при большой плотности компоновки современной аппаратуры. На эту температуру кроме мощности, рассеиваемой ЭРЭ, влияет ряд факторов: атмосферное давление, температура окружающей среды, конструкция устройства и его элементов и т. д. В результате рабочая температура ЭРЭ может превысить допустимые значения, определяемые ТУ на ЭРЭ, что приведет к сокращению срока службы или выходу РЭС из строя. Таким образом, очевидно, что при проектировании РЭС необходимо рассчитывать в том или ином приближении рабочие температуры ЭРЭ и в необходимых случаях принимать меры по их нормализации (изменение конструкции РЭС, введение тепловых экранов, применение различных способов охлаждения).

Исходные данные для расчета теплового режима сведены в табл. 7.1

Таблица 7.1
Исходные данные для расчета теплового режима

Число плат 1
Ширина вертикальных каналов, мм 202
Ширина платы вместе с элементами, мм 8,5
Высота платы, мм 170
Глубина платы, мм 120
Ширина верхнего канала, мм 2
Ширина нижнего канала, мм 2
Глубина корпуса, мм 276
Степень черноты корпуса (железо литое необработанное) 0,91
Степень черноты платы (стеклотекстолит) 0,83
Температура среды, °С 50
число итераций − 10;
погрешность − 0,1;
температура корпуса − 51,5 °С;
средняя температура платы − 62,3 °С;
средние температуры воздуха в каналах нагретой зоны − 51,9 °С;
температуры воздуха на входе в каналы нагретой зоны − 60 °С.

Температуры нагретых зон, полученные в результате теплового расчета, принимаются за рабочие температуры элементов, расположенных в этих зонах, и сравниваются с допустимыми рабочими температурами для использованной элементной базы, которые определяются на основании ТУ на элементы.

Расчет механических характеристик разрабатываемого устройства, в идеале, должен показать, превосходят или не превосходят допустимый предел перегрузки, возникающие на печатной плате или отдельных ее участках при приложении к плате вибрационной нагрузки. Для этого необходимо рассчитать резонансную кривую для печатной платы с предусмотренным конструкцией функционального узла расположением навесных элементов и креплением платы к жестким элементам конструкции. Эта резонансная кривая показывает значения динамичности платы на разных частотах – степени превышения механических нагрузок в центре масс или на отдельных участках платы по сравнению со значением вибрационной нагрузки, приложенной к жесткому основанию, на котором плата закреплена. Для решения этой задачи должны решаться дифференциальные уравнения в частных производных для упругой двумерной системы с распределенными параметрами, поскольку длина волны механических колебаний такой упругой мембраны сравнима с ее геометрическими размерами. Такие задачи в настоящее время решаются средствами специализированных САПР. К сожалению, имеющиеся в нашем распоряжении программные средства не позволяют решить эту задачу в полном объеме. Поэтому ограничимся расчетом резонансных частот механических колебаний печатной платы, закрепленной на жестком основании, к которому приложена вибрационная нагрузка.

Исходные данные для расчета механических характеристик проектируемого устройства приведены в табл. 7.2 и табл. 7.3

Таблица 7.2
Конструктивные и физико-механические характеристики, константы
Размер платы по оси Х (мм) 170,0
Размер платы по оси Y (мм) 120,0
Толщина платы (мм) 2,0
Плотность материала платы (кГ/куб.м) 2000
Модуль Юнга (Н/кв.м) 3,50000e+10
Коэффициент Пуассона 0,22
Критерий сходимости (отн.ед) 0,0001
Число узлов платы по оси X 10
Число узлов платы по оси Y 10
Число зон с навесными элементами 0
Число винтовых креплений 8
Число защемленных зон контура платы 0
Число опертых зон контура платы 6
Признак расчета второго резонанса 1
Признак прочностных расчетов 1
Логарифмический декремент 0,200
Ускорение вибровоздействия (G) 10,00

После выполнения расчета нагрузок на печатную плату в программе Plate Shell, были получены следующие результаты:

Частота ПЕРВОГО резонанса = 901.37(ГЦ)
Количество циклов итераций = 91
Перемещения W(X,Y) показаны на рис. 7.1


Рис. 7.1 Перемещения W(X,Y) в мм

Частота ВТОРОГО резонанса = 1623.75(ГЦ)
Количество циклов итераций = 91
Перемещения W(X,Y) показаны на рис. 7.2