Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Сравнительный анализ ортогональной и гексагональной координатных систем при проектировании элементов и компонентов электронных устройств 7
1.1 Характеристики координатных систем на плоскости 13
1.2 Коммуникационные возможности субминиатюрных элементов схем 18
1.3 Особенности конструктивных характеристик субминиатюрных элементов схем 21
1.4 Особенности конструирования функциональных элементов 23
Глава 2 Особенности проектирования пленочных элементов при совместном применении систем координат 27
2.1 Координация точек ортогональной и гексагональной систем координат и их совмещение 28
2.2 Трансформация форм размеров двумерных матричных структур и количественная оценка компоновки матриц 34
2.3 Особенности топологии при проектировании пленочных элементов с учетом влияния технологических факторов 44
Глава 3 Применение гексагональной системы координат при проектировании фрагментов функциональных узлов микроэлектронной аппаратуры 72
3.1 Особенности проектирования интегральных микросхем при полупроводниковой технологии изготовления 72
3.2 Особенности проектирования МДП-структур интегральных схем 78
3.3 Особенности применения компонентов микроэлектронной аппаратуры с гексагональной системой координат 84
3.4 Возможности технологического резервирования компонентов на платах с гексагональной системой координат 92
3.5 Модульный принцип конструирования элементов, узлов и устройств с применением гексагональной системы координат 95
Глава 4 Применение гексагональной системы координат при проектировании малогабаритных компактных электрических цилиндрических соединителей 98
4.1 Компактные электрические соединители с контактными парами с одинаковой токовой нагрузкой 98
4.2 Проектирование цилиндрических электрических соединителей с разной токовой нагрузкой на контакт 108
4.3 Мозаичный способ компоновки контактов с разной токовой нагрузкой в цилиндрических соединителях 118
Заключение 127
Библиографический список 131
- Коммуникационные возможности субминиатюрных элементов схем
- Трансформация форм размеров двумерных матричных структур и количественная оценка компоновки матриц
- Особенности применения компонентов микроэлектронной аппаратуры с гексагональной системой координат
- Проектирование цилиндрических электрических соединителей с разной токовой нагрузкой на контакт
Введение к работе
Актуальность работы. С общим и неуклонным развитием современной системотехники становится заметна тенденция к разработке эффективных методов создания и проектирования систем. Происходит исследование систем на всех этапах их жизненного цикла. Современное состояние развития сложных технических систем, а также широкое использование технических и математических методов в изучении различных систем требует осмысления и интеграции всех возможных направлений науки и техники.
Крайне активное движение видно в направлении совершенствования систем автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры с целью поиска оптимизации технических решений, куда входит увеличение номенклатуры выпускаемых изделий, сокращение временных, материальных и энергетических затрат на проектирование и производство.
Одним из важнейших направлений является изучение, применение и внедрение различных систем координат в проектировании радиоэлектронной аппаратуры, где по сравнению с традиционными методами использования декартовой ортогональной и полярной системами координат на плоскости, используется гексагональная система.
Ортогональная система координат используется повсеместно при описании двумерных и проекций трехмерных объектов на плоскости, топологических чертежей, послойных технологических операций и иной технической документации при проектировании микросхем, микросборок, коммуникационных плат, компонентов и элементов различной электронной аппаратуры.
Современная компьютерная техника позволяет получать высокоточное описание плоских объектов произвольной формы и, что более существенно, управлять процессами обработки таких объектов с высокой заданной точностью. Однако с точки зрения общей более плотной компоновки элементов плоского объекта, а также для сокращения общей длины коммуникационных (плоских и узких) проводников ортогональная система координат не является наилучшей.
Общей тенденцией развития микроминиатюризации является: уменьшение размеров элементов; сокращение площади на межэлементную и межкомпонентную коммуникацию, то есть повышение эффективности использования площади плат; увеличение количества связей между элементами; более плотная компоновка элементов с учетом площади зоны окружающей элементы; уменьшение общей длины коммуникационных проводников.
Данный ряд проблем в определенной степени решает гексагональная система координат. Наименее изученным аспектом здесь является условие физической
реализуемости метода проектирования радиоэлектронной аппаратуры с применением указанной системы координат, В связи с этим, важными составными частями в решение проблемы входят исследования по выяснению общих закономерностей проектирования коммуникационных плат, пленочных элементов и компонентов, способов компоновки электронных устройств, межэлементной и межкомпонентной коммуникации нетрадиционным методом, исследования различных методов и способов анализа и сравнения, возможности совмещения ортогональной и гексагональной систем координат.
Цель работы. Повышение компактности и коммуникационных возможностей комплексов элементов электронных устройств с применением гексагональной системы координат.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
проведен сравнительный анализ характеристик координатных систем на плоскости при проектировании элементов и компонентов электронных устройств;
проведены исследования по совместному использованию ортогональной и гексагональной систем координат - совмещение координатных точек этих систем и трансформации форм размеров двумерных матричных структур из одной системы в другую, -разработана методика определения оценки компоновки матричных структур в гексагональной системе координат;
разработаны модели построения пленочных элементов микроэлектронной аппаратуры в гексагональной системе координат, разработан метод определения отклонений геометрических характеристик пленочных элементов в гексагональной системе координат;
спроектированы функциональные устройства в ортогональной и гексагональной системах координат при одинаковой технологии изготовления;
разработан оптимальный ряд типоразмеров компактных цилиндрических электрических соединителей с контактными парами с предельно плотным расположением контактов.
Методы исследования. Для решения обозначенных задач в работе использовались методы эмпирического исследования. Экспериментальные методы использовались с целью определения плотностей электрических полей в пленочных элементах различной конфигурации,
Научная новизна исследований заключается в следующем:
впервые разработан метод проектирования элементов и компонентов микроэлектронной аппаратуры в гексагональной системе координат с учетом влияния технологических факторов;
представлена методика совместного использования ортогональной и гексагональной координатных систем при формировании комплексов пленочных элементов и объемных
5 компонентов в ограниченной области объекта проектирования;
предложены методы трансформации элементов и их комплексов из одной системы координат в другую;
разработаны модели построения функциональных узлов микроэлектронной аппаратуры в ортогональной и в гексагональной системах координат;
предложен новый метод построения типовых рядов малогабаритных электрических соединителей в гексагональной системе координат.
Практическая ценность работы.
Показаны возможности и особенности применения гексагональной системы координат при проектировании коммуникационных плат, пленочных и полупроводниковых элементов микроэлектронной аппаратуры.
Выявлена возможность совмещения ортогональной и гексагональной координатных систем в плоскости с использованием стандартных корпусов интегральных микросхем и переходных рамок.
Предложен метод технологического резервирования компонентов с применением гексагональной системы координат на коммуникационных платах.
Представлены модели автоматизированной ориентации и построения фигур из конструктивных элементов гексагональной системы координат.
Исследованы изменения, происходящие в матричных структурах при трансформации их в гексагональной системе координат, влияние форм, как элементов, так и самих матриц на плотность компоновки,
Разработана методика расчета плотности компоновки контактов электрических соединителей с применением гексагональной системы координат. Построен ряд типоразмеров электрических соединителей с оптимальным числом и сочетанием контактов.
Реализация в промышленности. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований отдельные результаты по применению гексагональной системы координат в проектировании электронных средств был принят на внедрение ОАО «Завод Элекон».
Апробация работы. Основные результаты и отдельные разделы диссертации докладывались и обсуждались на:
II научно-технической конференции студентов и аспирантов «Памяти Василия Ивановича Поповкина». Тема доклада «Трехосная шестидесятиградусная система координат и ее применение при проектировании электронной аппаратуры». Казань. КГТУ (КАИ). 20 марта 2001 г.
I форум молодых ученых и специалистов республики Татарстан. Тема доклада
«Применение разных систем координат на различных этапах проектирования микросборок». Казань. НКЦ Казань. 11-12 декабря 2001 г.
3 Итоговая конференция Республиканского конкурса научных работ среди студентов и аспирантов имени Н.И.Лобачевского. Тема доклада «Конструктивное оформление элементов полупроводниковой технологии с применением трехосной системы координат». Казань. КГУ (УНИКС). 1-2 марта 2002 г.
Публикации. Содержащиеся в диссертации сведения нашли отражения в 19 научных трудах, в том числе 16 научных статьях, 3 тезисах докладов, с участием в научных конференциях.
Основные положения, которые выносятся на защиту;
Коммуникационные возможности субминиатюрных элементов схем
Современная тенденция микроминиатюризации электронных устройств, особенно проявляемая при групповой (интегральной) технологии изготовления элементов, требует минимально допустимых размеров активных и пассивных элементов схем. Шаг координатной сетки в любой координатной системе определяется минимальными размерами проектируемых элементов (для описания элементов) и минимально допустимой шириной коммуникационных проводников с учетом окружающей проводник изоляционной зоны (для коммуникации элементов).
В ортогональной системе координат конструктивным элементом является квадрат, по стороне которого устанавливается шаг координатной сетки s (рис.1.4,а). В связи с тем, что контакты для внешней связи должны совпадать с точками координатной сетки, они располагаются по углам элемента. Ортогональные линии с таким же шагом координатной сетки используются для трассировки узких пленочных проводников (естественно, если используется технология, допускающая формирование проводников и контактов с таким шагом s).равносторонний треугольник, с длиной стороны равной такому же шагу s и размещаемый вданной системе координат (рис.1.4,6).
В предложении использования совершенно одинаковой технологии в обеихсравниваемых системах координат, т.е. при обеспечении одинакового шага s, так какминимальные размеры сторон элементов, расстояния между контактами икоммуникационными проводниками в обеих системах одинаковы, проведем сравнениекоммуникационных возможностей элементов, формируемых из элементарных «кирпичиков».
Элементарный «кирпичик» в ортогональной системе координат, имеющий в два раза больше площадь по сравнению с «кирпичиком» в гексагональной системе, (SD=J2, SA= S2 v3/4), характеризуется четырьмя внешними контактами (я=4), но каждый контакт подключается только к двум линиям связи, что дает всего восемь линий связи с внешней схемой (т=8).
В гексагональной системе координат «кирпичик», имея вдвое меньшую площадь, обладает и меньшим числом контактов для внешних связей (я 3), но каждый из контактов может иметь четыре внешние линии связи (»Ї=12). Преимущества по возможности межэлементной коммуникации очевидны. В сущности «кирпичик» в гексагональной координатной системе является основой фрактального счисления, позволяющего формировать на основе равносторонних треугольников фигуры определенной площади, но теоретически с неограниченным периметром, т.е. с большим числом контактов с внешней системой. По этому принципу происходит формирование структуры снежинки при замерзании водяных паров, построены нервные и кровеносные системы у живых существ, формируется рельеф береговых линий и большинство других объектов природы. В перспективе построение субминиатюрных электронных устройств, вероятно, будет осуществляться с помощью фракталей. Определенные моменты были приведены в выше названном сборнике [8].
Объясняется природное построение структур по гексагональной системе координат из-за особенностей построения кристаллических решеток различных веществ. Из основ кристаллографии, можно отметить то, что большинство кристаллических решеток различных материалов принадлежат к кубической или гексагональным системам [9]. Это и указывает на существование в природе так называемой гексагональной системы координат, что и объясняет актуальность применения её при проектировании элементов и компонентов электронных устройств.
Возвращаясь к характеристикам субминиатюрных элементов схем, рассмотрим следующее. По рис.1.4,в, г построение фигуры из двух элементов в каждой из систем имеет только одно решение: прямоугольник — в ортогональной и ромб - в гексагональной системах координат. По числу контактов для внешней схемы у двойных элементов в ортогональной системе положение лучше (шесть контактов вместо четырех в гексагональной системе), но общее число внешних связей в гексагональной системе будет больше (десять и четырнадцать соответственно). Варианты конструктивных решений, представленные на рис. 1.4, отображены в таблице 1.1.
Следовательно, несмотря на меньшее число контактов для внешних связей вгексагональной системе координат по сравнению с любым вариантом конструктивного решения в ортогональной системе координат, угловая система характеризуется значительно большим числом межэлементных связей. Если учесть, что площадь элементов в гексагональной системе в два раза меньше площади элементов с таким же числом «кирпичиков» в ортогональной системе, то, занимая меньшую площадь на коммутационной плате, конструктивный элемент обладает значительно большим числом межэлементных связей.
В частности, весьма удобные для построения матричных структур и примерно равные по площади элементы квадратной формы в ортогональной системе координат и шестиугольные - в гексагональной системе координат характеризуются следующими данными:- квадратный элемент (из четырех элементов - квадратов) имеет восемь контактов, двенадцать внешних связей;- шестиугольный (из шести элементов - треугольников) - шесть контактов, восемнадцать внешних связей.
Конкретных конструктивных решений из различных сочетаний больших и малых элементов в обеих системах координат может достаточно много, но, используя принцип построения и оценки внешних связей у элементов различной конструкции приведенных на рис. 1.4 можно оперативно установить число внешних связей для любого конструктивного решения. Однако, имея в виду, что в ортогональной системе координат число связывающих линий в одной координатной точке будет только четыре, а в гексагональной системе их может быть шесть, то при одинаковых по сложности элементах в гексагональной системе
Основой конструктивной характеристики плоского элемента является площадь, необходимая для размещения всех фрагментов элемента (включая контактные площадки для внешних связей) при формировании его функций. В ортогональной системе координат основным «кирпичиком», используемым для построения контура элемента, является квадрат со стороной, равной шагу координатной сетки sa, в гексагональной системе координат необходимо использовать треугольник со стороной, равной шагу координатной сетки s .
Трансформация форм размеров двумерных матричных структур и количественная оценка компоновки матриц
Трансформация форм размеров двумерных матричных структур При изменении угла в декартовой системе координат, в том числе и при угле в 60 вместо 90, как показано на рис.2.3, используются только две оси, а именно, прежняя ось Ох, и прежняя ось Оу из того же начала координат повернута на 30 вправо. Поэтому из каждой координатной точки этой двойной координатной системы будут формироваться элементарные «кирпичики» в виде ромбиков, большая диагональ которых всегда направлена вправо и вверх.
Построение фигур и в частном случае проводников (но шириной не равной s, а равной) производится перенесением очередной ориентирующей точки к соответствующей точке полученного ромба и формированием очередного ромба. В принципе, программирование построения фнгур и проводников осуществляется аналогично ортогональной системе, где построение фигур производится из элементарных квадратов.
Однако если рассматривать такое построение для плоских проводников, то, очевидно, что, как ширина проводников, так и ширина изоляционных просветов между ними окажутся меньше примерно на 13%. Это экономит площадь платы, так как ее потребуется меньше под в общем-то, не выполняющие особо «полезной» работы в схеме устройства, конструктивные элементы. Однако при этом необходимо учесть возможное снижение надежности, что детально рассмотрено в статье «Особенности применения двойной ортогональной сорокапятиградусной координатной системы при трассировке проводников на коммуникационных платах» [12].
На рис.2.3 приведена трансформация регулярных матричных структур, основных компонентов микроэлектронных устройств исходно спроектированных в ортогональной системе координат. На координатную сетку с шагом s ортогональной системы координат наложена гексагональная координатная сетка с таким же шагом по трем осям, в том числе и по оси Ох, которая является общей для обеих координатных систем. Кроме оси Ох совмещение координатных точек по горизонталям будет приближенно через шесть шагов ортогональной сетки.
Матрица М размером 4x3 элементов, которая обозначена светлыми кружками размещена у начала координат 0, контур ее обозначен вертикальной штриховкой. При трансформации этой матрицы в гексагональной системе координат (O-x-y -z) в матрицу М\ элементы которой обозначены полузачернёнными кружками, а ее контур из прямоугольника преобразуется в параллелограмм. Точка 1 в исходной ортогональной системе перемещается в точку 1 точка 2 - в точку 2 ; точки 0 и 3 не меняют своего положения.
Конструктивные изменения такой матрицы непривычной формы и с координатными очками, смещенными от точек ортогональной системы привели к следующему:- рабочие площади элементов (круглой формы) остались неизменными;- межэлементные расстояния (которые обеспечивают изоляцию элементов матрицы и ее интерсоединения) также остались неизменными;- но, благодаря более плотной упаковке элементов матрицы общая площадь контура матрицы сократилась на 13,4%.
При этом связь с исходной ортогональной сеткой сохранилась только по одной (нижней) стороне матрицы, а сама матрица уже не вписывается в исходную ортогональную систему координат.
Если использовать только двухосную систему координат для коммуникации компонентов в новой гексагональной системе, то общее число направлений внешних выводов от каждого внешнего контакта матрицы по сравнению с ортогональной системой не изменится. Действительно, как и в ортогональной системе координат с каждой стороны матрицы можно сделать вывод только в одном направлении (кроме угловых контактов, где выводы можно делать в двух направлениях). Причем с боковых сторон матрицы только в горизонтальном направлении, а с верхней и нижней сторон матрицы - под углом 60 по отношению к оси Ох.
Однако если использовать ось Oz, которая отсутствует в ортогональной системе координат, то появляется возможность существенно увеличить число направлений разводки коммуникации непосредственно с контактных площадок матриц. С каждой стороны матрицы от одного контакта можно выполнять по два вывода (вместо одного в ортогональной системе), а с угловых контактных площадок (вместо двух в ортогональной системе) можно выполнять по три вывода с тупых углов матрицы, и до четырех - с острых углов, (рис.2.3 у матрицы М ). Кстати, такую же трехосную коммуникацию можно использовать и для интерсоединений внутри контура матрицы.
Следовательно, с точки зрения коммуникационных возможностей, двухосная угловая система равноценна с ортогональной.
При трансформации матричных структур, которые не совпадают одной стороной с горизонтальной осью Ох, происходит не только конструктивная деформация самой структуры, но и смещение всей матрицы вправо и несколько вниз, и даже за пределы исходной заданной площади платы.
Для примера на рис.2.3 показана трансформация матрицы М размером 3x2 в матрицу М\ которая в двухосной системе переместилась вправо весьма отдаленно от своего положения в ортогональной системе и только случайно сохранила связь с исходной ортогональной координатной сеткой, попав на горизонталь, общую для обеих систем.
При сравнении с исходной матрицей конструктивные параметры трансформированной матрицы несколько улучшились за счет сокращения необходимой площади контура матрицы (без ухудшения других параметров). С точки зрения коммуникационных возможностей (при использовании оси Oz) гибкость разводки с такой матрицы существенно улучшалась, вместо десяти внешних выводов в ортогональной системе матрицы М матрицы М стало восемнадцать внешних выводов.
Однако, при формальном преобразовании компонентов из ортогональной системы в гексагональную вообще все выводится из сектора у-О-у , т.е. такое формальное преобразование компонентов с использованием только осей Ох и Оу не годится в принципе, так как вообще не только деформирует, причем односторонне контуры компонентов, но и выводит их за пределы заданной площади платы.
Хотя при наличии именно гексагональной системы координат у разработчиков остается неиспользованными другие сочетания уже имеющихся трех координатных осей. Точнее говоря, возможности использования всех трех осей при коммуникации компонентов и элементов схем.
При расположении исходной матричной структуры в первом квадранте ортогональной системы координат и в случае полного совпадения начала координат гексагональной системы с началом координат ортогональной системы прямоугольная матрица трансформируется в параллелограмм, как было рассмотрено выше и показано на рис.2.3. Неизменным остается нижний ряд элементов и только при условии совпадения первого элемента этого ряда с началом координат гексагональной системы.
При этом наряду с традиционными линиями связи по строкам и столбцам матрицы, которые оказались повернутыми на 30, появился набор диагональных линий связи, которые при необходимости можно разместить в третьем слое разводки между элементами проводников. Этот комплекс диагональных связей проходящих через переменное число элементов матрица открывает дополнительные возможности взаимной и внешней коммуникации элементов матрицы, мало используемые в матричной схемотехнике.
Другим оригинальным аспектом трансформации прямоугольных матричных структур является существенное относительное изменение расположения элементов матрицы в случае размещения начала координат гексагональной системы в пределах самой исходной ортогональной матрицы.
Особенности применения компонентов микроэлектронной аппаратуры с гексагональной системой координат
Конструкции кристаллов интегральных схем для компоновки на платах Основными компонентами электронных устройств, которые монтируются на коммуникационных платах являются полупроводниковые кристаллы со сформированными в них электронными функциональными узлами, часто весьма высокой сложности. После изготовления их на общей полупроводниковой пластине производится скрайбирование (надрезание алмазом) по границам функциональных узлов с контактными площадками для внешних связей, расположенными по периметру, по двум ортогональным направлениям.
Затем пластина разламывается по линиям реза. Другая технология формирования кристаллов осуществляется с помощью лазера.
Форма контура кристалла применяется прямоугольная (рис.3.13,а, б). Обязательным условием такой технологии разделения кристаллов являются прямые линии реза, проходящие через всю пластину. Однако такая форма контура кристалла, точнее, расположение контактных площадок строго по квадрату или по прямоугольнику обеспечивает полное совпадение с гексагональной координатной сеткой на коммуникационной плате только по горизонтальному направлению, где шаг между контактными площадками на плате и между контактными площадками на кристалле устанавливается одинаковый. Что же касается вертикального направления, то на коммуникационной плате в связи с наклоном координат под углом 60 шаг в вертикальномнаправлении окажется меньше в v3/2 раза, и, кроме того, смещенным влево и вправо на 1/2 шага в горизонтальном направлении. Полный расчет по совмещению координатных систем был приведен в предшествующей главе.
В принципе полное совмещение координатных сеток на коммуникационной плате, сформированной по гексагональной системе координат, я по контуру контактных площадок на кристалле, может быть обеспечено простым изменением угла скрайбирования полупроводниковой пластины. На рис.3.13,д - и приведены конфигурации кристаллов, которые можно выполнить с применением гексагональной системы координат. Такая форма скрайбирования кристаллов наряду с полным совмещением координатных сеток на кристалле и на плате обеспечивает уменьшенную площадь, занимаемую контактными площадками (при таком же расстоянии между контактными площадками). Если рассматривать примеры, сравнивая варианты (рис.3.13,а) с (рис.3.13,в или е), а также варианты (рис.3.13,6) с (рис.3.13,г или ж), то сокращение площади кристалла происходит засчет уменьшения ширины кристалла в V3/2 раза при расположении контактных площадок по гексагональной системе координат.
Естественно будет иметь место и соответствующее сокращение полезной внутренней зоны кристалла, где формируются элементы функционального узла (ФУ). Это следует учесть при проектировании функциональных узлов интегральных схем (ИС) по такому принципу идеально в тех случаях, когда большое число внешних выводов ФУ совмещается с относительно небольшой площадью внутренней зоны кристалла (несложная схема с большим числом внешних выводов) именно такое решение является целесообразным.
При использовании углового скрайбирования возникают некоторые сомнения технологов, которые обоснованы менее четким сколом в острых, шестидесятиградусных углах кристалла, однако, в связи с соответствующим увеличением расстояния от ближайшего контакта до вершины угла такой дефект вполне допустим.
Тем не менее, основным препятствием к применению кристаллов с наклонными боковыми сторонами являются возражения разработчиков полупроводниковых ИС, которые проектируют во всем мире в ортогональных координатах и обеспечены соответствующим проектным и производственным оборудованием.
Оптимальным вариантом решения задачи полного совмещения гексагональной координатной сетки на плате с контактной рамкой на кристалле и с сохранением всех процессов проектирования и производства кристаллов ИС в традиционных ортогональных координатах является варианты конструктивных решений (рис.3.13,в, г) для разных отношений площади внешних контактных площадок к площади элементов ИС.
В этих вариантах ортогональная система координат полностью используется как для проектирования элементов схемы ИС, скрайбирования кристаллов под традиционным прямым углом и при формировании горизонтальных рядов внешних контактных площадок. Вносится лишь коррекция в расположении контактных площадок по вертикалям, где их следует располагать зигзагом под углом к вертикали ±30 для полного совмещения с координатной гексагональной сеткой на плате. При этом сокращается и вертикальный размер кристалла в /з/2 раза. Коррекция вертикальных рядов контактных площадок для внешних выводов практически не усложняет проектирование ИС и не изменяет технологию их изготовления.
Современная технология изготовления микроэлектронной аппаратуры позволяет использовать лазеры для надрезания технологических полупроводниковых пластин, на которых сформированы будущие кристаллы ИС. Следовательно, все проблемы скрайбирования с применением гексагональной системы координат автоматически отпадают.
Трансформация координатной системы применением корпусов я промежуточныхплатПолное совмещение контактных площадок на кристалле с контактными площадками на коммуникационной плате необходимо только в тех случаях, когда расстояние между центрами контактных площадок оказывается одинаковым, т.е. при одинаковой разрешающей
Проектирование цилиндрических электрических соединителей с разной токовой нагрузкой на контакт
Одной из существенных характеристик многоконтактных электрических соединителей, особенно предназначенных для использования в малогабаритной аппаратуре, является их компактность (при обеспечении остальных заданных показателей качества: количество контактных пар с разной токовой нагрузкой на контакт, рабочее напряжение между контактами, время наработки на отказ, число сочленений и т.п.)
Для определенной серии электрических соединителей (ЦЭС), предназначенной для работы в конкретных эксплуатационных условиях и использующую отработанную технологию, основными исходными данными при проектировании расположения контактов в сечении изолятора, являются минимально допустимые, но гарантированно обеспечивающие заданную надежность межцентровые расстояния между контактами s (при условии вписывания зоны расположения контактов в минимально допустимую окружность) [29].
При наличии в ЦЭС контактов с одинаковой токовой нагрузкой на контакт, т.е. при одном значении межцентрового расстояния s и круглой форме изоляторов наибольшая компактность ЦЭС обеспечивается при применении гексагональной системы координат с центром в середине круглого изолятора с шагом 5 по всем трем осям.
«Волны» контактов расходящиеся от центра по всем направлениям одновременно «порциями» по шесть, а при большом числе контактов - по двенадцать, будут наиболее плотно располагаться по площади выделенной окружности и наиболее эффективно использовать площадь сечения изолятора.
Такой «сотовый» принцип расположения круглых площадок (гнезд для размещения контактных пар) широко применяется в природе (пчелиные и осиные гнезда), в технике (сотовая телефония) является идеальным для ЦЭС с одинаковой токовой нагрузкой на контакт. Поэтому для каждого конкретного значения межцентрового расстояния s не представляет сложности рассчитать оптимальные значения числа одинаковых контактных пар и соответствующие им минимально необходимые диаметры изоляторов, обоснованно формируя, таким образом, ряд типоразмеров ЦЭС наибольшей компактности. Сложнее обстоит дело с формированием оптимального ряда типоразмеров при двух и более отличающихся токовых нагрузок на контакт.
Разница в значениях максимально допустимого тока на контакт требует разного размера контактных пар (КП), диаметра гнезд для контактов и, как следствие, разного межцентрового расстояния между контактами.
Для двух значений токовой нагрузки (ТН) на контакт должны быть заданы три значения s: sr расстояние между центрами контактов с малой ТН (при количестве таких контактов N0; S2- расстояние между центрами контактов с большей ТН (при количестве таких контактов N2); si2- расстояние между центром малого контакта и центром большого.
Так как обычно заказчик не оговаривает особо конкретное расположение контактов в изоляторе (разводка цепей по проводникам, которые связываются в общий жгут, кабель, шлейф), то, как правило, размещение контактов произвольно, но при общем требовании -наибольшей плотности компоновки.
Анализ и количественная оценка компактности нормализованных отечественных и зарубежных ЦЭС с двумя и более разными ТН на контакт показал, что повышение компактности ЦЭС, в первую очередь, для специальной малогабаритной аппаратуры, обеспечивается разными компоновочными приемами [29].
В основном, особенно при большом числе малых контактов, используется сотовый принцип компоновки (по гексагональной координатной сетке), стараясь вписать шестиугольные контуры групп контактов в окружности изоляторов. В отдельных участках контуров шестиугольников вместо трех...семи контактов помещают контакты большего размера.
Изначально, видимо, конкретный типоразмер ЦЭС определенной серии компоновался под крупный заказ стабильного потребителя по заданному числу контактов с разной также заданной ТН. Проводилась длительная конструкторская доработка, технологическая подготовка серийного или даже массового производства с максимальной унификацией технологической оснастки для пользующегося спросом ряда типоразмеров данной серии.
Именно такие сертифицированные рады типоразмеров ЦЭС разных серий с конкретными значениями чисел контактов с разной ТН и определенным расположением на изоляторах конкретного диаметра заложены в проспекты и каталоги фирм-производителей ЦЭС.
Однако такие проспекты и каталоги не могут удовлетворять растущим потребностям многочисленных и разнообразных потребителей. Наряду с повышением общих требований (компактность, надежность в более тяжелых условиях эксплуатации, стоимость) у потенциальных заказчиков меняются требования по числу контактов и по значению ТН на контакт.
Малейшее изменение не только числа, но расположения контактов даже при сохранении общей механической части ЦЭС (корпус, монтаж) требует проектирования и изготовления изолятора (такого же диаметра, но с иным расположением или числом гнезд для контактов). Кроме дополнительных затрат, на изготовление новой пресс-формы потребуется время, которое оттягивает выполнение заказа вплоть до его аннулирования за счет конкурирующей фирмы.
Поэтому авторитет фирмы (в условиях свободного рынка, когда даже при монополии в стране фирмы-производителя ЦЭС, потребители могут воспользоваться предложениями зарубежных фирм) может быть установлен лишь при непрерывном усовершенствовании своей продукции.
