Конструктивно-технологические особенности

Этапы развития электронной техники по мере основополагающих измене­ний технического уровня элементной базы, конструкции и технологии приня­то разделять на поколения, которые сначала (как термин) характеризовали развитие вычислительной техники, затем распространились на все разновид­ности электронной аппаратуры. Независимо оттого, что каждому поколению аппаратуры свойственны в первую очередь определенные потребительские качества (функциональные характеристики, надежность, масса, потребляемая мощность), переход от поколения к поколению связывают с эволюцией эле­ментной базы (рис. 1).

Рис. 1. Поколения электронной аппаратуры:

РЛ - реле и лампы, ПП - полупроводниковые приборы, ИС - интегральные микросхе­мы, БИС - большие ИС, СБИС - сверхбольшие БИС, ОПП - односторонние печатные платы, ДПП - двусторонние печатные платы, МПП - многослойные печатные платы, ПДПП - прецизионные ДПП. ПМПП - прецизионные МПП, СПМПП - сверхпрецизион­ные МПП

Каждое поколение электронной аппаратуры имеет свои конструктивные и технологические особенности. В аппаратуре 1-го поколения основу конструк­ции составляли блоки с металлическими шасси и панелями, на которых кре­пились электровакуумные приборы, реле, резисторы, конденсаторы, дроссели, трансформаторы. Монтаж осуществлялся проводами. Конструкции электрон­ной аппаратуры 1-го поколения отличались громоздкостью и огромным ко­личеством проводов. Основными технологическими процессами были метал­лообработка и малопроизводительный ручной проводной монтаж.

С появлением транзисторов создается аппаратура 2-го поколения. Для реализации преимуществ полупроводниковых приборов в качестве несущих конструкций и монтажа начали использоваться одно- и двусторонние ПП. Переход на печатный монтаж стал важнейшим этапом в развитии конструиро­вания и технологии электронной аппаратуры.

Разработка электронной аппаратуры 3-го поколения на основе элементной базы высокой интеграции привела к дальнейшему развитию техники печатного монтажа, создающему оптимальные условия для достижения высокого быстродействия, расширения функциональных возможностей проектируемых устройств, повышения надежности и эффективности аппаратуры. Особые требования к электрическим характеристикам и топологии линий связи между логическими элементами электронных устройств 3-го поколения обусловили применение многослойных печатных плат (МПП), позволивших решить ряд проблем электронного конструирования.

Обеспечение высокого быстродействия ЭВМ связано в первую очередь с проблемой уменьшения длины электрических соединений, так как время переключения элементов интегральных микросхем (ИС) стало соизмеримым с временами задержки сигналов в линиях связи. Многослойные ПП позволяют увеличить плотность монтажа ИС за счет специализации слоев в структуре МПП и тем самым укоротить пути передачи сигналов, а значит, уменьшить временные задержки в линиях связи.

В аппаратуре 3-го поколения появилась необходимость в использовании режима согласования линий связи, исключающего возможность многократ­ных отражений сигнала от неоднородностей электрических трасс, чтобы не вызвать потерь обрабатываемой информации на высоких скоростях пере­ключения ИС. В связи с этим возникают требования к стабильности и одно­родности волнового сопротивления печатных проводников и минимизации электрической емкости ответвлений. Эта задача наиболее эффективно реша­ется в МПП.

Вместе с увеличением плотности компоновки и частоты переключения эле­ментов ИС растет удельное энергопотребление узлов и блоков электронных устройств, что порождает проблему минимизации полных сопротивлений цепей питания и заземления. В составе МПП эта проблема решается использо­ванием специально выделенных слоев "земля — питание", выполняющих одновременно роль электрических экранов для слоев с трассами логических цепей.

Эти факторы обусловили применение МПП как наиболее оптимального средства передачи ВЧ-сигналов, увеличения плотности компоновки, равно­мерного распределения энергии питания между активными элементами элект­ронных устройств 3-го поколения. Поэтому основная масса сигнальных связей между логическими элементами функциональных узлов и между функцио­нальными узлами в составе блоков осуществляется МПП.

В электронных устройствах с малой насыщенностью ИС или с дискретны­ми элементами, в периферийных устройствах ЭВМ, где быстродействие не является решающим фактором, целесообразно использование двусторонних ПП. Межплатный монтаж в конструкциях электронной аппаратуры выпол­няется МПП-панелями, гибкими ПП и многожильными ленточными кабелями.

Аппаратура 4-го и 5-го поколений на основе больших (БИС) и сверхболь­ших (СБИС) интегральных схем характеризуется еще более высокими требо­ваниями к плотности монтажа. Чтобы удовлетворить эти требования, созда­ют, например, высокопрецизионные ПП (трассировка трех проводников между сквозными отверстиями), крупноформатные (размеры до 600Х700 мм) многослойные (до 24 слоев) ПП с проводниками и зазорами ши­риной 75... 100 мкм, ПП с попарными переходами на внутренних слоях в шаге трасс проводников (до 0,5 мм). Для монтажа БИС в керамических кристаллодержателях вводится дополнительный конструктивный уровень между БИС и МПП в виде многослойной (до 33 слоев) керамической платы или других аналогичных по сложности конструкций.