Конструкторско-технологические расчеты электронной аппаратуры

 
 
 
Э.Н. Камышная, В.В. Маркелов, В.А. Соловьев 

 

 

 

Конструкторско-технологические расчеты 
электронной аппаратуры 

 

 

Рекомендовано Научно-методическим cоветом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

Москва 
2014 

УДК 621.396.6 
ББК 32.844 
 
К18 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
д-р техн. наук, ст. науч. сотрудник ФГУП «НПП ВНИИЭМ  
им. А.Г. Иосифьяна» С.Г. Семенцов; 
канд. техн. наук, начальник лаборатории  
ЗАО «ВЭИ-ТЕРМОЭЛЕКТРО» В.В. Орешко; 
канд. техн. наук, доцент кафедры «Технологии приборостроения» 
МГТУ им. Н.Э. Баумана С.А. Мешков 
 
 
Камышная Э. Н.  
К18  
Конструкторско-технологические расчеты электронной 
аппаратуры : учеб. пособие / Э. Н. Камышная, В. В. Маркелов, 
В. А. Соловьев. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2014. —165, [1] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-3943-0 
Рассмотрены методологии различных конструкторско-технологических 
расчетов электронной аппаратуры и их программная реализация. 
Приведены методики и алгоритмы компоновочного расчета, 
расчетов теплового режима блоков электронной аппаратуры, 
надежности, параметров печатного монтажа, а также на механические 
воздействия. 
Для студентов, осуществляющих расчеты по курсовому и дипломному 
проектированию. 
 
УДК 621.396.6 
ББК 32.844 
 
 
 
 
 

 
 
 
Камышная Э.Н., Маркелов В.В.,  
 
 
Соловьев В.А., 2014 
 
 
Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-3943-0 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 

 

Оглавление 

Предисловие ..................................................................................................... 6 
Сокращения ...................................................................................................... 8 
1. Программный комплекс конструкторско-технологических  
расчетов функциональных узлов электронной аппаратуры ........... 9 
 
1.1. Структура ПККТР ............................................................................... 9 
 
1.2. Информационное обеспечение ПККТР ........................................... 10 
 
1.3. Инструкция по эксплуатации ПККТР .............................................. 13 
 
 
1.3.1. Команды меню ПККТР ........................................................... 13 
 
 
1.3.2. Создание нового проекта ........................................................ 16 
 
 
1.3.3. Сохранение проекта ................................................................. 16 
 
 
1.3.4. Сохранение проекта под новым именем................................ 16 
 
 
1.3.5. Открытие существующего проекта ........................................ 17 
 
 
1.3.6. Экспорт исходных данных и результатов расчетов.............. 17 
 
 
1.3.7. Печать исходных данных и результатов расчетов ................ 18 
 
1.4. Формирование БД ПККТР для проведения расчетов ..................... 18 
 
 
1.4.1. Ввод информации в БД ........................................................... 18 
 
 
1.4.2. Ввод информации об электронных компонентах ................. 19 
 
 
1.4.3. Ввод информации о материалах и покрытиях ...................... 21 
2. Компоновка функциональных узлов в конструктивно  
 
законченные единицы (ячейки, блоки) .............................................. 23 
 
2.1. Создание конструктива ячейки ........................................................ 23 
 
2.2. Компоновка ячейки i-го типа ............................................................ 24 
 
 
2.2.1. Последовательность действий при компоновке ячейки ....... 25 
 
 
2.2.2. Установка компонентов на ПП ............................................... 27 
 
 
2.2.3. Редактирование ячейки ........................................................... 29 
 
 
2.2.4. Результаты компоновки ячейки .............................................. 30 
 
2.3. Компоновка блока ............................................................................. 31 
 
 
2.3.1. Ввод исходных данных ........................................................... 31 
 
 
2.3.2. Особенности ввода исходных данных при компоновке  
 
 
          блока ЭА ................................................................................... 35 
 
 
2.3.3. Последовательность действий при компоновке блока ЭА .. 35 
 
 
2.3.4. Результаты компоновки блока ................................................ 38 

Оглавление 
 

 
3. Программа расчета теплового режима блоков ЭА .......................... 42 
 
3.1.  Функциональное назначение программы ....................................... 42 
 
3.2. Расчет теплового режима блока ЭА при естественном  
 
 
охлаждении ......................................................................................... 47 
 
 
3.2.1. Методика расчета 1-го этапа теплового режима  
 
 
 
блоков ЭА ................................................................................. 47 
 
 
3.2.2. Методика расчета 2-го этапа теплового режима  
 
 
 
блоков ЭА ................................................................................. 49 
 
 
3.2.3. Расчет передачи теплоты с учетом топологии. Методика  
 
 
 
расчета 3-го этапа теплового режима блоков ЭА ................. 54 
 
3.3. Расчет теплового режима блока ЭА при принудительном  
 
 
охлаждении ........................................................................................ 60 
 
 
3.3.1. Прямой расчет .......................................................................... 61 
 
 
3.3.2. Обратный расчет ...................................................................... 69 
4. Программа расчета на механические воздействия блоков ЭА ...... 74 
 
4.1. Расчет блоков ЭА на вибро- и ударопрочность .............................. 74 
 
 
4.1.1. Определение частоты собственных колебаний отдельных 
 
 
 
конструкционных элементов ЭА ........................................... 75 
 
 
4.1.2. Определение виброускорения и виброперемещения  
 
 
 
элементов конструкции ЭА .................................................... 82 
 
4.2. Расчет на действие удара .................................................................. 86 
 
 
4.2.1. Расчет на действие упругого удара ........................................ 86 
 
 
4.2.2. Расчет на действие жесткого удара ........................................ 88 
 
4.3. Расчет блоков ЭА на механические воздействия ........................... 91 
5. Программа расчета надежности блоков ЭА ...................................... 96 
 
5.1. Конструктивные особенности блоков ЭА, учитываемые  
 
 
при подготовке к расчету надежности ............................................. 96 
 
5.2. Расчет надежности блоков ЭА для различных видов  
 
 
резервирования ................................................................................ 105 
 
5.3. Последовательность действий в ПККТР ....................................... 108 
6. Программа конструкторско-технологических расчетов  
 
параметров печатных плат ................................................................. 113 
 
6.1. Функциональное назначение .......................................................... 113 
 
6.2. Расчет «узких мест» на ПП ............................................................. 114 
 
6.3. Расчет ПП по постоянному току .................................................... 118 
 
6.4. Расчет ПП по переменному току .................................................... 118 
7. Программа расчета экранирования блоков ЭА ............................. 123 
 
7.1. Функциональное назначение .......................................................... 123 
 
7.2. Расчет электромагнитного экранирования .................................... 125 
 
7.3. Расчет магнитостатического экранирования ................................ 127 
 
7.4. Расчет электростатического экранирования ................................. 128 
 
7.5. Расчет электромагнитного экранирования в дальней зоне  
 
 
излучения .......................................................................................... 129 

  
Оглавление 
5 

 
7.6. Расчет электромагнитного экранирования в ближней зоне  
 
 
излучения .......................................................................................... 129 
 
7.7. Расчет перфорированных и сеточных экранов ............................. 131 
 
7.8. Исходные данные для расчета отдельных видов экранирования 132 
8. Программа расчета и выбора радиаторов при проектировании  
 
блоков ЭА ............................................................................................... 137 
 
8.1. Функциональное назначение .......................................................... 137 
 
8.2. Методика расчета и выбора радиаторов полупроводниковых  
 
 
приборов ........................................................................................... 140 
 
8.3. Расчет теплового контактного сопротивления при различных 
 
 
условиях контактирования.............................................................. 147 
 
8.4. Оценка факторов, влияющих на значение теплового  
 
 
контактного сопротивления ............................................................ 148 
 
8.5. Влияние паст, смазок, усилия прижима на значение теплового  
 
 
сопротивления контакта .................................................................. 152 
 
8.6. Влияние электроизоляционных прокладок на тепловое  
 
 
сопротивление контакта .................................................................. 155 
 
8.7. Анализ зависимости эффективности радиаторов  
 
 
от используемых материалов и покрытий ..................................... 157 
 
8.8. Рекомендации по применению радиаторов для изделий ЭА ....... 159 
Заключение ................................................................................................... 163 
Литература .................................................................................................... 164 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Предисловие 

Настоящее учебное пособие содержит основы конструирова-
ния изделий электронной аппаратуры (ЭА), а также теоретические 
и практические вопросы по автоматизированному проведению 
конструкторских расчетов с учетом требований технического за-
дания. 
Данное пособие базируется на лекционном материале дисци-
плин «Теоретические основы конструирования и надежности», 
«Автоматизированное проектирование электронных средств» и 
«Конструкторское проектирование». В работе приводятся теоре-
тический материал, методики и алгоритмы расчетов, иллюстрации 
и справочные данные, а также конкретные примеры расчета теп-
лового режима, на механические воздействия, надежности и др., 
способствующие углубленному изучению лекционного материала 
и получению практических навыков в решении конструкторских 
задач предлагаемыми методами. 
В пособии содержатся методические рекомендации по органи-
зации комплексного подхода к конструкторско-технологическим 
расчетам (КТР) в процессе проектирования изделий ЭА, разрабо-
таны принципы построения программного комплекса конструк-
торско-технологических расчетов (ПККТР), сформулированы за-
дачи, решаемые отдельными модулями, и представлено необходи-
мое информационное обеспечение. 
Предлагаемый материал имеет важное значение для подготов-
ки высококвалифицированных специалистов по направлениям 
«Конструирование и технология электронных средств» и «Инфор-
матика и вычислительная техника».  
При проектировании функциональных узлов ЭА актуальной 
проблемой является автоматизация процесса проведения КТР. 
Цель работы — объединение отдельных расчетов, реализуе-
мых программными модулями, в комплекс с единым пользова-
тельским интерфейсом, что позволит ускорить обучение работе 

  
Предисловие 
7 

с программами расчетов и сократить сроки их проведения. Для 
разработки ПККТР функциональных узлов (ФУ) ЭА решены сле-
дующие задачи: 
• сформирована структура ПККТР на основе модульного прин-
ципа; 
• выбрана реляционная база данных, определены логическая и 
физическая структуры их записи, а также формат обменного файла; 
• создана спецификация модулей расчетов; 
• выявлены системные требования, проведена инсталляция 
комплекса и проработаны вопросы включения новых модулей рас-
четов в ПККТР. 
В процессе выполнения КТР возникает необходимость боль-
шого объема вычислений, обращений к стандартным алгоритмам 
решения типовых задач, проверки правильности результатов. 
Применение современной вычислительной техники, например, 
широко распространенных персональных компьютеров (ПК), сов-
местимых с IBM PC/AT, значительно снижает трудоемкость и по-
вышает эффективность выполнения расчетов. Однако отсутствие 
единого подхода как при создании программных модулей, так и 
программного и пользовательского интерфейса приводит к тому, 
что: 
• программы, разработанные разными программистами, нельзя 
объединить в один комплекс; 
• пользователь испытывает значительные трудности при работе 
с программами разных авторов; 
• невозможно внести изменения в разработанную программу 
расчета. 
ПККТР позволяет включать дополнительные расчеты, что 
расширяет возможности конструкторов при доработке комплекса 
под конкретное производство. 

 

Сокращения 

БД 
— база данных 
ГОСТ 
— государственный стандарт 
ИС 
— интегральная схема 
КД 
— конструкторская документация 
КТР 
— конструкторско-технологические расчеты 
КП 
— контактная площадка 
МММ 
— микромодульный массив 
НЗ 
— нагретая зона 
ОСТ 
— отраслевой стандарт 
ПК 
— персональный компьютер 
ПККТР — программный комплекс конструкторско-технологи- 
 
 
ческих расчетов 
ПП 
— печатная плата 
РЭС 
— радиоэлектронные средства 
СВЧ 
— сверхвысокие частоты 
СУ 
— система управления 
СУБД 
— система управления базами данных 
СхЭ 
— схема электрическая принципиальная 
ТЗ 
— техническое задание 
ТКС 
— тепловое контактное сопротивление 
ТС 
— тепловая схема 
ТП 
— технологический процесс 
ТУ 
— технические условия 
ФУ 
— функциональный узел 
ЭА 
— электронная аппаратура 
ЭВС 
— электронно-вычислительные средства 
ЭС 
— электронные средства 
 
 

 

1. Программный комплекс  
конструкторско-технологических расчетов 
функциональных узлов электронной аппаратуры  

1.1. Структура ПККТР 

Структура ПККТР базируется на модульном принципе 
(рис. 1.1), что позволяет осуществлять его модернизацию посред-
ством доработки или добавления какого-либо модуля без измене-
ния всего комплекса в целом.  
ПККТР состоит из трех типов модулей: 
• оболочка программы; 
• система управления базой данных (СУБД); 
• КТР теплового режима, на механические воздействия, надеж-
ности, технологичности и т. д. 

 

 
Рис. 1.1. Структура ПККТР 

1. ПККТР функциональных узлов электронной аппаратуры 
 

Оболочка программы представляет собой единый интерфейс 
пользователя, осуществляет координацию действий остальных мо-
дулей, объединяет данные о необходимых расчетах, обеспечивает 
ввод исходных данных и контроль их значений. Кроме того, она 
реализует запуск ПККТР, выполняет функции диспетчера между 
остальными его модулями, настраивает конфигурацию файлов 
данных, просмотр и печать результатов расчетов. 
СУБД выполняет интерфейсные функции между базой данных 
(БД) и остальными модулями комплекса, что позволяет легко ис-
пользовать разные физические форматы данных в зависимости от 
поставленных целей. Она должна обеспечивать запись, считыва-
ние и модификацию информации. 
Модули КТР осуществляют реализацию алгоритма, обмени-
ваясь входными и выходными данными через СУБД с оболочкой 
программы. Необходимость разработки БД вызвана частым ис-
пользованием справочных материалов различного рода, пред-
ставленных в основном в табличном виде. БД хранит как спра-
вочные материалы, так и информацию о конкретном проекте со 
всеми входными и выходными переменными каждого расчета. 
Данные должны храниться в формате стандартной или ориги-
нальной БД, обеспечивающем простоту установки и переноса 
ПККТР. 

1.2. Информационное обеспечение ПККТР 

Для разработки структуры БД необходимо: 
• получение семантических (смысловых) моделей, отражаю-
щих информационное содержание данной проблемной области, в 
результате чего определяются объекты, их свойства и связи; 
• выбор модели данных на основе анализа формы представле-
ния исходных данных; 
• создание логической и физической структур записей для орга-
низации файлов, содержащих справочную и другую информацию. 
Выбор модели данных определяет возможности разрабатывае-
мой БД. Наиболее широкое распространение получили сетевая, 
иерархическая и реляционная модели данных. 
Сетевые модели базируются на графовой форме представления 
данных. Вершины графов используются для интерпретации типов 
сущностей, а дуги — для интерпретации типов связей между ти-
пами сущностей. Выявлены следующие, присущие этому типу, 
ограничения: 

  
1.2. Информационное обеспечение ПККТР 
11 

• отсутствие непосредственной реализации связи «многие-ко-
многим»; 
• невозможность непосредственного представления данных, 
описывающих рассматриваемые связи между сущностями. 
Упомянутые особенности сетевой модели не являются препят-
ствием для ее использования. Однако отсутствие современных 
СУБД для ПК, реализующих этот тип модели данных, привело к 
отказу от нее. 
Иерархические модели данных, как и сетевые, имеют в своей 
основе графовую форму представления, их основными ограниче-
ниями являются: 
• отсутствие связей «многие-ко-многим»; 
• древовидная структура связей. 
Ограничения, связанные со структурой связей не позволяют 
использовать представленную модель для БД ПККТР. 
Реляционные модели наиболее удобны для представления ин-
формации. Особенности реляционных моделей, заключающиеся в 
отсутствии дубликатов, не являются препятствием для их выбора. 
Видимо, поэтому большинство современных СУБД построено с 
использованием этой модели.  
Реляционная структура данных представляет собой совокуп-
ность таблиц, называемых отношениями, причем каждая таблица 
состоит из записей одного типа, не связанных между собой. 
На логическом уровне модели выражается интегрированная 
точка зрения на данные, что позволяет определить общую струк-
туру БД. Такое представление выбирает пользователь (конструк-
тор или технолог), готовящий данные для ввода в БД. При описании 
структуры на этом уровне разрабатывается логическая схема 
БД в терминах полей, записей и наборов, т. е. такое описание 
структуры, которое не связано с физическим представлением данных 
на конкретном носителе информации. Этот уровень используется 
для создания эффективных по способам доступа физических 
структур данных. 
Структура БД ПККТР приведена на рис. 1.2. 
В процессе ввода исходной информации ее необходимо контролировать. 
Поэтому при разработке схемы контроля входных 
данных следует провести систематизацию типов ошибок. Практика 
показывает, что при вводе данных ошибки пользователя могут 
быть трех видов: 
• ввод неправильного значения, при котором расчет будет осуществлен 
с ошибками; 

1. ПККТР функциональных узлов электронной аппаратуры 
 

 

Рис. 1.2. Структура БД ПККТР 
 
• ввод значения вне допустимого диапазона, которое приведет 
к неадекватному использованию данной математической модели, 
ошибке расчета или аварийной остановке выполнения программы; 
• выбор неправильного формата, из-за которого произойдет 
аварийная остановка выполнения программы. 
В отличие от других программ настоящий программный комплекс 
анализирует вводимую информацию на наличие ошибок. 
В ПККТР реализован механизм, позволяющий обеспечить проверку 
ошибок непосредственно при вводе исходной информации, а 
также их устранение после окончания ввода данных. Перед началом 
ввода данных оболочка программы запрашивает модули расчета 
о типах входных данных и ограничениях, налагаемых на них, 
получает информацию через БД, которая запоминается в соответствующих 
переменных. При вводе информации осуществляется ее 
проверка на корректность. Если введенная информация не соответствует 
формату или выходит за пределы ограничивающего 
диапазона, пользователь будет предупрежден об этом и должен 
ввести данные еще раз. Пользователь имеет возможность проконтролировать 
все параметры и, если обнаружена ошибка при вводе 
значения какого-либо из них, проводится его корректировка. 

  
1.3. Инструкция по эксплуатации ПККТР 
13 

Реализация комплекса алгоритмов КТР ввиду сложности математических 
моделей возможна только при правильном выборе 
среды программирования и учете следующих требований: 
• поддержка объектно-ориентированного программирования; 
• поддержка программирования под Windows; 
• обеспечение удобных средств работы с БД; 
• использование современных объективно-ориентированных 
языков программирования. 
Существует большое количество средств программирования. 
Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяет язык 
программирования Delphi, что и обусловило его выбор. Данная 
среда программирования позволяет разрабатывать приложения, 
специально ориентированные на работу с БД различных типов.  
При создании ПККТР полностью решены задачи по представ-
лению единого программного и пользовательского интерфейса, а 
также контроля вводимых данных. Отсутствие жесткой структуры 
ПККТР обеспечивает определенную гибкость при добавлении но-
вых модулей расчетов. Разработанные модули позволяют оценить 
возможности ПККТР и служат прототипом для создания на базе 
их структуры других модулей расчетов. Основной задачей даль-
нейшего развития ПККТР является разработка отдельных модулей 
расчетов, удовлетворяющих определенной спецификации. При 
этом разработчик может направить свои усилия на реализацию 
алгоритма расчета, поскольку интерфейс для ввода и вывода ему 
наследуется от комплекса. Исходные данные для расчета берутся 
из технического задания (ТЗ) на изделие и схемы электрической 
принципиальной (СхЭ). 
Настоящий программный продукт соответствует потребностям 
разработчиков ЭА и будет полезен широкому кругу специалистов, 
аспирантов и студентов направления «Конструирование и техно-
логия электронно-вычислительных средств». 

1.3. Инструкция по эксплуатации ПККТР 

1.3.1. Команды меню ПККТР 

Меню ПККТР состоит из следующих пунктов: 
Файл (для обеспечения взаимодействия с устройствами внешней 
памяти и печатающими устройствами); 
Расчеты (для проведения расчетов); 
Базы данных (для работы с БД); 
Помощь (для получения справочной информации).