Что такое блочная сборка РЭА и в чем ее преимущества?

Блочная сборка радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) — это методология конструирования устройств, при которой отдельные функциональные элементы объединяются в независимые модули (блоки). Под термином «сборка» в данном контексте подразумевается комплекс действий, направленных на создание электрических и механических соединений. Блочная сборка РЭА представляет собой последовательность технологических операций по механическому соединению деталей и электрорадиоэлементов (ЭРЭ) в изделии или его составной части.

Нарушение последовательности этих действий приводит к невозможности правильного расположения деталей и обеспечения их взаимодействия в соответствии с проектной документацией. Именно поэтому процесс сборки требует строгого соблюдения технологической дисциплины и следования установленным процедурам.

Радиоэлектронные блоки являются модулями второго уровня и предназначены для передачи, приема и преобразования информации и сигналов посредством радиоэлектронных ячеек. В конструкции современных радиоэлектронных устройств все чаще применяется метод функционально-узловой сборки, при котором микроэлектронные приборы собираются в скомпонованные блоки, представляющие собой самостоятельные функциональные устройства.

Классификация радиоэлектронных блоков

Радиоэлектронные блоки можно классифицировать по различным признакам, что позволяет более четко определять их назначение и особенности применения.

По способу компоновки

Стеллажный тип

Включают в себя типовые элементы замены (ТЭЗ), расположенные в ряд, перпендикулярно монтажной панели. Такая конструкция обеспечивает удобный доступ к каждому элементу и хорошие условия для охлаждения.

Книжная конструкция

Печатные платы крепятся друг к другу и к несущей конструкции при помощи шарнирных узлов, что позволяет «листать» их подобно страницам книги. Шарнирные узлы могут быть индивидуальными, совмещенными с рамкой, или обеспечивающими возможность установки сразу нескольких плат. В рабочем состоянии платы объединяются в пакет при помощи стяжных винтов.

Конструкция с откидными платами

Крепление плат осуществляется при помощи подвижного соединения, позволяющего откидывать каждую плату отдельно и контролировать её в зафиксированном положении во время работы оборудования. Для обеспечения электрического соединения используются объемные провода, жгуты или специальные соединители.

Этажерочная компоновка

Представляет собой параллельное объединение плат с установочной панелью в цельную конструкцию, закрепленную стяжными винтами. Для обеспечения необходимого расстояния между платами применяются распорные втулки. Установочная панель служит несущей конструкцией.

По конструктивному исполнению

• Герметичные блоки: обеспечивают защиту внутренних компонентов от воздействия внешней среды (влаги, пыли, агрессивных веществ). Особенно важны при эксплуатации в тяжелых климатических условиях.

• Негерметичные блоки: имеют более простую конструкцию, обычно применяются в стандартных условиях эксплуатации.

• Одноплатные бескаркасные приборы: используют основание в качестве несущей конструкции. Жесткость таким блокам придается путем фиксации углов и закрепления кронштейнами панелей, стенок и крышки.

• Многоплатные приборы: содержат несколько печатных плат, объединенных в единую конструкцию.

Структурные элементы радиоэлектронных блоков

Основу конструкции радиоэлектронного блока составляют следующие элементы:

Несущая конструкция

Каркас с монтажной панелью (шасси) и соединителями является основой для размещения всех функциональных узлов. В монтажных панелях выделяют две зоны:

• Центральная зона: здесь располагаются ответные части соединителей ТЭЗ и направляющие. 

• Периферийная зона: содержит колодки или соединители внешней коммутации, жгуты, подводы напряжения, питания и нулевого потенциала.

Системы фиксации и направляющие

Направляющие в радиоэлектронном блоке выполняют несколько важных функций:

• Обеспечивают оперативное сочленение ТЭЗ с ответными частями соединителей без заклинивания или перекоса; 

• Поддерживают платы ТЭЗ при ударах и вибрациях; 

• Создают пути для кондуктивного отвода тепла.

Направляющие могут быть коллективными, позволяющими установить сразу несколько ТЭЗ, и индивидуальными. Они изготавливаются из пластмассы или металла в зависимости от требований к механической прочности и теплоотводу.

Системы крепления

ТЭЗ должны быть надежно закреплены для предотвращения их выпадения при вибрациях и ударах. Крепления подразделяются на:

• Индивидуальные: невыпадающие винты и защелки для каждого ТЭЗ. 

• Групповые: прижимная крышка с пористой прокладкой на внутренней стороне, фиксирующая несколько ТЭЗ одновременно.

Соединители и система коммутации

Ответные соединители ТЭЗ предпочтительно крепить к многослойной печатной плате. Это облегчает внесение последующих изменений, которые могут осуществляться проводным монтажом: одиночным проводом, свитой парой или жгутом. При установке жгутов на монтажной панели радиоэлектронного блока необходимо предусмотреть специальные пазы или углубления для их фиксации.

Требования к радиоэлектронным блокам

Механические требования

• Жесткость и прочность: радиоэлектронные блоки должны выдерживать механические нагрузки, возникающие при эксплуатации, транспортировке и хранении, сохраняя при этом свои функциональные характеристики.

• Виброустойчивость: особенно важна для аппаратуры, работающей в условиях значительных вибраций (транспортных средствах, промышленном оборудовании).

• Минимальный вес: достигается за счет оптимизации конструкции и применения современных легких материалов при сохранении необходимой жесткости.

Технологические требования

• Технологичность конструкции: возможность изготовления с использованием доступного оборудования и материалов.

• Упрощение сборки и монтажа: уменьшение количества операций, использование стандартизированных соединений.

• Возможность автоматизации: конструкция должна допускать применение автоматизированного оборудования для сборки и тестирования.

Эксплуатационные требования

• Ремонтопригодность: обеспечение доступа к внутренним компонентам, возможность быстрой замены поврежденных элементов.

• Теплоотвод: эффективное охлаждение элементов, предотвращение перегрева.

• Экранирование: защита от внешних электромагнитных помех и предотвращение излучения помех самим устройством.

Технологический процесс блочной сборки

Этапы разработки технологического процесса

Проектирование технологического процесса сборки и монтажа РЭА включает следующие основные этапы:

1. Подготовительный этап: ознакомление с функциональным назначением изделия, техническими условиями, конструкторской документацией, программой и плановыми сроками изготовления.

2. Анализ производственных возможностей: оценка имеющегося оборудования, возможности приобретения дополнительного оснащения, взаимодействия с другими предприятиями.

3. Разработка технологического маршрута: определение последовательности операций, выбор оборудования и оснастки.

4. Детализация операций: разделение технологического процесса на простейшие операции, определение технологических режимов и норм времени.

5. Проектирование средств технологического оснащения: разработка специальной оснастки, приспособлений, инструментов.

6. Разработка методов контроля: определение контрольных точек, параметров проверки, средств измерения.
   Оформление технологической документации: составление маршрутных и операционных карт, карт эскизов, инструкций.
   Изготовление опытной партии: проверка разработанного технологического процесса на практике.

7. Корректировка документации: внесение необходимых изменений по результатам испытаний опытной партии.

Схемы сборки радиоэлектронной аппаратуры

Для определения технологического маршрута сборки РЭА составляются схемы разбора изделия на сборочные элементы. Эти схемы необходимы для понимания последовательности сборки, определения взаимосвязей входящих элементов и представления проекта технологического процесса.

Применяются схемы «веерного» типа или с базовой деталью:

• Схема «веерного» типа: элементы изображаются в виде прямоугольников с указанием наименований, номеров по классификатору, позиционных обозначений и количества.

• Схема с базовой деталью: более трудоемкая в составлении, но лучше отображает последовательность процесса сборки. Базовым элементом обычно является шасси, панель или плата, с которой начинается сборка.

Оптимизация последовательности операций

Определение оптимального порядка выполнения технологических операций зависит от их особенностей, имеющегося оборудования и экономической целесообразности. Общие принципы:

• Первыми выполняются операции по созданию неподвижных соединений; 

• Затем устанавливаются остальные элементы РЭА; 

• Далее формируются разъемные соединения; 

• В последнюю очередь устанавливаются детали, которые могут заменяться при настройке.

Передовые технологии в блочной сборке РЭА

Технология внутреннего монтажа

Технология внутреннего монтажа представляет собой перспективное направление в сборке радиоэлектронных блоков. В отличие от традиционного поверхностного монтажа, эта технология предполагает установку кристаллов интегральных схем непосредственно в печатную плату, исключая процессы корпусирования ИС, формирования выводов и их последующей пайки или сварки.

Процесс внутреннего монтажа включает следующие этапы:

1. Подготовка подложки: в алюминиевой подложке пробиваются прямоугольные отверстия, соответствующие размерам кристаллов ИС.

2. Формирование диэлектрического слоя: на подложке создается диэлектрический слой путем анодирования.

3. Установка кристаллов: кристаллы ИС помещаются в отверстия таким образом, чтобы их верхняя сторона с контактными площадками была обращена вверх.

4. Нанесение полиимидной пленки: подложка покрывается пленкой, к которой плотно приклеивается передняя сторона каждого кристалла ИС.

5. Формирование контактных отверстий: в полиимидной пленке методом ионного травления создаются отверстия, открывающие доступ к контактным площадкам ИС.

6. Создание токоведущих дорожек: с помощью маски и метода вакуумного напыления формируются медные (часто с подслоем титана для улучшения адгезии) и никелевые проводники.

7. Формирование многослойной структуры: при необходимости создается до 30 слоев печатной платы путем повторения процесса нанесения диэлектрика и формирования проводников.

Преимущества технологии внутреннего монтажа

Радиоэлектронные блоки, изготовленные по технологии внутреннего монтажа, обладают рядом значительных преимуществ:

• Миниатюризация: существенное уменьшение размеров и массы изделия.

• Повышение быстродействия: увеличение скорости работы в 5-6 раз по сравнению с традиционными методами.

• Улучшение электрических характеристик: отсутствие паразитных индуктивных и емкостных эффектов.

• Устойчивость к внешним воздействиям: повышенная виброустойчивость и невосприимчивость к электромагнитным помехам.

• Улучшенный теплоотвод: более эффективное охлаждение компонентов.

• Экологичность: применение «сухих» методов травления и вакуумного напыления вместо химических процессов.

Примером эффективности данной технологии может служить история приемовычислителя ГЛОНАСС, изготовленного в начале 1990-х годов. Благодаря использованию технологии внутреннего монтажа устройство имело небольшие размеры, высокую надежность и было нечувствительно к электромагнитным наводкам, сохраняя точность определения местоположения даже под линиями электропередач.

Методы оптимизации блочной сборки РЭА

Унификация и типизация процессов

Унификация технологических процессов сборки и элементов конструкции играет ключевую роль в повышении эффективности производства. Она включает типизацию и групповые методы монтажа и сборки.

Типовой технологический процесс

Типовой технологический процесс — это схема процесса монтажа и сборки изделий одного класса, включающая: 

• Способ установки основного элемента и расположения других; 

• Перечень всех необходимых операций; 

• Типы технологического оснащения; 

• Распорядок работы; 

• Приближенную трудоемкость для планируемого объема производства.

Типизация технологических процессов предполагает их классификацию по различным признакам:

• Класс: элементы со схожим видом соединения (свинчивание, пайка, сварка, склеивание). 

• Вид: детали со схожим уровнем механизации сборки (ручная, механизированная, автоматизированная). 

• Подвид: зависит от конструктивных особенностей соединений. 

• Тип: сборочные единицы с максимально похожими условиями сборки, расположениями и количествами точек крепления.

Методы типизации технологического процесса подразделяются на: 

• Простые: одна операция, без предшествующей унификации составных частей. 

• Условно простые: один технологический процесс, связанный с приемами монтажа элементов и применением одинаковых технологических решений для различных классов элементов. 

• Комплексные: нормализация элементов рабочего процесса с дополнительной нормализацией компонентов.

Групповые методы сборки

Групповые методы сборки и монтажа применяются для сборочных единиц с одинаковыми условиями сборки и использованием одинаковых средств механизации и автоматизации. Сборочные единицы разбиваются на группы:

• С полным монтажом на одном оборудовании; 

• С незаконченным монтажом, когда часть компонентов собирается на одной групповой операции, а остальные на других операциях; 

• С общим групповым технологическим маршрутом, включающим набор операций с соответствующими приспособлениями.

Групповые методы наиболее эффективны при единичном и мелкосерийном производстве, позволяя уменьшить количество разрабатываемых процессов и концентрировать технологически схожие работы.

Принципы организации производства

Для повышения эффективности блочной сборки РЭА необходимо соблюдать ряд важных принципов:

Принцип параллельности

Параллельность сборки подразумевает одновременный монтаж нескольких элементов изделия, что приводит к сокращению сроков изготовления готовой продукции. Наиболее эффективные подходы: 

• Производство и сборка нескольких изделий РЭА на многопредметных конвейерах; 

• Объединение на автоматизированных конвейерах производства деталей и их сборки.

Принцип прямоточности

Прямоточность представляет собой создание готового продукта с минимальными затратами времени на прохождение всех необходимых фаз и операций. Отклонение от этого принципа усложняет сборку и увеличивает время производства.

Принцип непрерывности

Непрерывность подразумевает исключение или максимальное снижение длительности простоев между или внутри операций. Для соблюдения этого принципа необходимо обоснованно выбирать технологические процессы, объединять операции изготовления деталей и их сборки, контролировать все этапы.

Принцип пропорциональности

Пропорциональность предполагает соблюдение равномерности производительности труда за единицу времени на каждом рабочем месте, линии, участке, цехе. Следование этому принципу позволяет максимально использовать производственные мощности и площади, обеспечивать равномерный выпуск продукции.

Принцип ритмичности

Ритмичность сборки представляет собой производство одинакового или возрастающего количества изделий за определенные промежутки времени. Она повышается при применении типовых и групповых процессов, их унификации и синхронизации операций.

Преимущества блочной сборки РЭА

Блочная сборка радиоэлектронной аппаратуры предоставляет множество существенных преимуществ, которые делают её предпочтительным методом конструирования современных электронных устройств:

Технологические преимущества

• Модульность конструкции: возможность независимой разработки, изготовления и тестирования отдельных функциональных блоков.

• Гибкость производства: быстрая перенастройка технологических линий для выпуска новых изделий за счет использования унифицированных блоков.

• Уменьшение технологического цикла: сокращение времени от начала разработки до выпуска готового изделия благодаря параллельному изготовлению блоков.

• Автоматизация процессов: возможность применения роботизированного оборудования для сборки типовых блоков.

Эксплуатационные преимущества

• Высокая ремонтопригодность: возможность быстрой замены неисправного блока без демонтажа всего устройства.

• Улучшенная диагностика: упрощение поиска неисправностей благодаря локализации функций в отдельных блоках.

• Модернизация: возможность обновления отдельных блоков без изменения всей конструкции.

• Повышенная надежность: отработка типовых решений, применение проверенных схемотехнических и конструктивных решений.

Экономические преимущества

• Снижение себестоимости: уменьшение затрат при серийном производстве за счет унификации и типизации.

• Экономия материалов: оптимизация конструкции, исключение избыточных элементов.

• Сокращение расходов на обслуживание: возможность замены только вышедших из строя блоков вместо всего устройства.

• Уменьшение затрат на разработку: использование готовых типовых решений для новых изделий.