CoreModule 800 - «холодный», но мощный модуль на базе гигагерцового процессора

Колин МакКрэкен (Colin McCracken)

Современные приложения зачастую требуют мощных вычислительных ресурсов и высокопроизводительных процессоров, и тогда принципиальное значение приобретает задача охлаждения систем. А использование вентиляторов в надежных, компактных, вибро- и ударозащищенных системах - не лучшее решение. Однако специалисты компании Ampro, используя подходящий процессор и передовые технологии в области разработки плат, решили проблему увеличения мощности процессоров защищенных систем, создав компактный, и при этом высокопроизводительный модуль стандарта PCI-104 - CoreModule 800.

Сегодня военные, авиационные и транспортные приложения предъявляют широкий спектр требований к сборке печатных плат. Помимо жестких условий эксплуатации, важным фактором для них является требование к рациональной компоновке элементов. Разработанная по последним технологиям комбинация эффективного охлаждения, производственной плотности и методологии конструирования защищенных систем предоставила возможность создания уникального решения на базе одноплатного компьютера, отвечающее всем вышеперечисленным требованиям.

Как известно, существуют просто тяжелые условия, а есть по-настоящему жесткие условия эксплуатации. Например, установленная на вертолетах, поездах, самолетах, кораблях и в военных транспортных средствах электроника часто подвергается сильному охлаждению, ударам по разным осям, вибрации, воздействию экстремальной жары, соляного тумана, разреженного воздуха и электромагнитных помех широкого спектра. При этом размещение электронных систем в максимально компактных корпусах требует более высокой технологической плотности. Решением может стать увеличение тактовой частоты в сумме с эффективной микроархитектурой процессора, но ценой этому послужит повышенное тепловыделение.

Рассеяние тепла с большой поверхности не является сложной задачей, например, материнские платы ПК имеют прекрасную возможность разделения сильно греющихся компонентов свободным пространством для понижения температуры в «горячих точках». Однако отвод тепла в ограниченном пространстве, требуемый для работы защищенных систем, является непростой задачей, а повышенные температуры снижают среднее время наработки на отказ и осложняют подбор компонентов.

Охлаждение без использования вентиляторов

В большинстве коммерческих приложений возможно использование вентиляторов для охлаждения, но ценой этого, как правило, является низкая надежность системы. Остановка вентиляторов, незначительная неприятность для обычного ПК, в защищенных приложениях может вызвать необратимые последствия. Поэтому в высоконадежных и жизненноважных приложениях использование вентиляторов обычно неприемлемо или, как минимум, требуется применение дополнительных систем охлаждения или других решений для бесперебойной работы.

Поэтому именно пассивное охлаждение высокопроизводительных процессоров является идеальным решением для защищенных приложений. Жесткие требования к размерам платы, где устанавливаются высокопроизводительный процессор архитектуры х86 и соответствующий набор микросхем, вызывают необходимость применения новейших методологий проектирования и технологий производства для того, чтобы иметь возможность совместить высокую производительность и ограниченное пространство, отвести тепло и противостоять жестким условиям эксплуатации.

Надо также отметить, что некоторые производители микропроцессоров выбрали более короткую конвейерную обработку команд и улучшенное прогнозирование ветвлений для повышения производительности и снижения энергопотребления. Например, архитектура процессоров Intel Pentium M дает прирост производительности в 50% по сравнению с процессорами предыдущего поколения Pentium 4 (при одинаковой тактовой частоте), и эти процессоры выпускаются с различными показателями TDP (рассеиваемая тепловая мощность). Предназначенный для использования во встраиваемых системах процессор Intel Celeron M 373 с тактовой частотой 1 ГГц обладает очень низкими показателями TDP: 5 Вт.

Ограничения пассивного охлаждения

Понятно, что достижение максимальной производительности без использования вентиляторов для охлаждения процессора на сегодняшний день является головной болью всех разработчиков. При отсутствии эффективной системы охлаждения работа встраиваемого компьютера в условиях высокой температуры ведет к перегреву, отрицательно влияющему на электронику и значительно снижающему надежность. Лучшие системы охлаждения минимизируют разницу температур между окружающей средой и чувствительными интегральными схемами на плате, особенно процессором и набором микросхем, при этом следует учесть, что даже небольшое отклонение температуры может вызвать сбои в работе процессора, набора микросхем и ОЗУ.

Можно считать, что зависимость между рассеиванием тепловой мощности компонента и ростом температуры практически линейна. Коэффициент пропорциональности - тепловое сопротивление, аналогичен электрическому сопротивлению, связывающему ток и напряжение в законе Ома. Таким образом, чем ниже тепловое сопротивление, тем более эффективно система охлаждения отводит тепло от чувствительных электронных компонентов.

Одним из наиболее критичных аспектов системы теплоотвода также является эффективность радиатора. Радиаторы с плоскими ребрами ограничивают поток воздуха только в одном направлении. За небольшую дополнительную плату в несколько долларов мы получаем более совершенное решение - оборудованный круглыми штырьками радиатор и пользуемся всеми преимуществами от тока воздуха во всех направлениях.

Традиционный подход состоит в установке радиаторов при помощи теплопроводящих материалов, в том числе термоклея. Такие радиаторы просто приклеиваются к процессору. Следует отметить, что нужно внимательно относиться к подбору термоматериала для различных исполнений корпуса интегральной схемы - пластиковых, металлических или керамических, так как они обладают различными характеристиками сцепления поверхности.

Теплопроводящие материалы

К сожалению, приклеиваемые конструкции не могут противостоять сильным ударам и вибрации, а клеящие вещества обладают сравнительно слабыми теплопроводящими свойствами, кроме того, с двух сторон теплопроводящего материала возникают воздушные промежутки, способные вызвать нежелательное повышение температуры процессора.

Правильный подбор теплопроводящего материала является критически важным условием для достижения желаемой производительности. Поэтому при создании CoreModule 800 компания Ampro применила наиболее надежный вариант с передовым теплопроводящим материалом, который наносится непосредственно на сопряженные поверхности без образования пузырьков воздуха для уменьшения теплового сопротивления.

В совокупности с этим теплопроводящим материалом используется специальная защелка, создающая дополнительное давление и обеспечивающая в дальнейшем сохранность сцепки при ударах и вибрации, что подтверждено тестированием при ударных нагрузках с ускорениями до 50 g. Правильно спроектированная система крепления радиатора в CoreModule 800 обладает хорошими значениями термического коэффициента и обеспечивает постоянное усилие зажима и жесткость во всем диапазоне рабочих температур.

Форм-фактор PCI-104

Рис 1

Семейство спецификаций PC/104 - это естественный выбор для создания встраиваемых компьютеров в защищенных приложениях, реализованных в очень малых размерах платы и крайне стабильных. В 2003 году Консорциум РС/104 (PC/104 Embedded Consortium) выпустил спецификацию PCI-104, регламентирующую выпуск малогабаритных одноплатных компьютеров и модулей ввода-вывода. При размерах 3,55" x 3,775" (приблизительно 90 х 96 мм) платы стандарта PCI-104 оснащены шиной расширения PCI (подключение мезонинного типа), но при этом отсутствует интерфейс ISA, имеющийся на платах стандарта PC/104. Готовые модули ввода-вывода с периферией на базе PCI, такой как IEEE 1394 (FireWire), Mini PCI, или PC Memory Card International Association (PCMCIA), могут быть подключены напрямую, если это необходимо.

В прошлом стандарт РС/104 был особенно популярен среди систем-на-чипе (System-on-Chip, SoC) процессорной архитектуры х86. Интегрированная периферия и мосты позволяют уместить целый встраиваемый компьютер в форм-фактор РС/104. Однако существует проблема размещения на плате такого формата микросхем, входящих в состав высокопроизводительных процессорных модулей мобильных ПК, включая процессор, северный мост (с быстрыми интерфейсами процессора, памяти и высокопроизводительной периферии) и южный мост (с более медленными интерфейсами периферии). Такие 3-чиповые решения довольно сложно разместить на плате размера РС/104. И хотя проблема слегка облегчается в связи с отсутствием шины ISA с ее крупным разъемом на платах стандарта PCI-104, всё-таки приходится прибегать к ухищрениям для того, чтобы остаться в рамках требований стандарта.

Разъем шины PCI-104 занимает значительную часть всей площади платы. Использование традиционного проходного разъема может потребовать увеличения размеров платы сверх допустимых параметров, или приведет к необходимости пожертвовать разъемами ввода-вывода, причем оба эти варианты нежелательны. Изображенный на рис 1 одноплатный компьютер Ampro CoreModule 800, построенный на базе процессора с тактовой частотой 1 ГГц, помогает решить проблему размеров платы и защищенности благодаря использованию толстой печатной платы и частично проникающих контактов разъема.

Методология разработки защищенных плат

Рис 2

Разработка сложной платы и запуск её в производство являются довольно непростой задачей. Создание полноценного компьютера ограниченного размера требует тщательного расчета схемы и подбора компонентов вплоть до самой печатной платы. Таким образом, процесс требует большего, чем просто выбор миниатюрных элементов типоразмера 0402. Ко всему прочему, следует учитывать крепление компонентов, ведь чем больше весит деталь, тем больше шансов, что она отвалится при сильной вибрации или ударе. Поэтому тяжелые компоненты, такие как катушки индуктивности, должны быть приклеены «намертво». Разъемы должны быть изготовлены из термостойкой пластмассы или впрессованы в плату, чтобы обезопасить их от разрушения при давлении в процессе сборки. Так же сильно на окончательную прочность влияет то, как плата была распаяна в процессе сборки. Например, процесс нанесения покрытия волной припоя может быть использован для устранения эффекта коробления, возникающего при нанесении оловянно-свинцового припоя путём разогрева горячим воздухом, а при серебряной иммерсии припой оплывает к краям поверхностно-смонтированных технологических площадок более эффективно, обеспечивая лучшую защиту паяных соединений.

Отвод тепла от компонентов может быть спроектирован уже в рамках стратегии разработки платы, реализуемой в виде радиатора, и поскольку нагреваются также и те элементы, которые находятся под поверхностью платы, это также должно быть учтено при разработке данной стратегии.

Печатная плата «держит марку»

Рис 3

Чтобы соответствовать требованиям директивы Restriction of the use of certain Hazardous Substances (RoHS), материалы платы должны выдерживать воздействие температуры до 260°С, в то время как материалы, соответствующие стандарту FR4, при таких температурах страдают от расслоения, диагональной деформации и образования пузырей.

К тому же материалы печатной платы должны обладать низким тепловым коэффициентом расширения, чтобы ликвидировать потенциальную угрозу излома в условиях термического шока. Следует также учитывать, что коэффициент расширения слоев платы, отличный от коэффициента расширения прикрепленных омедненных элементов, грозит браком всего продукта. Толщина печатной платы имеет принципиальное значение. Например, при типичной толщине платы (0,062" или 1,6 мм) она имеет уязвимость в виде разрушения паяных соединений BGA под воздействием экстремальных ударов или вибрации. Решением этой проблемы является использование печатных плат толщиной 0,093" (2,4 мм) и выше. Одним из преимуществ более толстых плат является использование меди в дополнительных слоях для подавления электромагнитных помех, как излучаемых, так и поглощаемых, что важно для обеспечения надежной работы в защищенных приложениях.

А что внутри?

Рис 4

Учитывая все вышесказанное, специалисты компании Ampro выбрали для плат стандарта PCI-104 толщину платы равной 0,12" (3 мм). Это обеспечило достаточное пространство для впрессованного разъема PCI-104, впрессованого в плату до определенной глубины, и при этом на другой стороне платы осталось достаточно места для размещения монтируемых на поверхность разъемов ввода-вывода. В плату был впрессован 120-контактный разъем, оснащенный специальным фиксатором. Этот разъем имеет силу удержания почти 4 фунта (~1814,36 г) на контакт, поэтому для того, чтобы вырвать его из платы, потребуется сила почти в 500 фунтов (~226,795 кг), а этого сложно достичь ударами и вибрацией.

Специализированные контакты выполнены в виде иголки с ушком (см рис 2). Каждый штырек герметично устанавливается в упругую область разъема интерфейса своей цилиндрической частью, причем область сцепления цилиндрической головки и упругого разъема оптимальна для того, чтобы обеспечить почти двойную площадь контакта, как в обычных разъемах такого типа. Таким образом, каждый из 120 штырьков индивидуально посажен в термостойком пластиковой основе и не касается нижней части глухого посадочного отверстия. Процесс создания многослойной печатной платы состоит в просверливании переходных отверстий в слоях и спрессовывании их в одну «стопку». Слои склеивают, а отверстия под штырьки PCI-104 металлизируют. Затем наносят проводящую пасту, которая заполняет все отверстия PCI-104, впрессовывают штырьки с последующим оплавлением пасты и окончательной проверкой глубины просверленных отверстий.

На этой стадии производятся несколько поперечных разрезов на выборочных платах производимой партии, дабы удостовериться в точности значений глубины и диаметра отверстия. Образцы поперечных разрезов, снятые с различных ракурсов, показаны на рис 3 и 4, и подтверждают великолепное качество контактов.

Герметизация конформным покрытием

Конформное покрытие защищает электронику от коррозии, влаги и заплесневения после того, как компоненты были припаяны. Выбираются либо акриловые, либо уретановые материалы, которые отличаются гибкостью, простотой ремонта и возможностью замены компонентов. В случае с военными и другими критически важными приложениями покрытие должно отвечать требованиям стандартов MIL-I-46058C и IPC-CC-830 в отношении диэлектрической проницаемости, сопротивления, гибкости и теплового удара.

Малейшие ошибки могут перечеркнуть всю эффективность покрытия. Например, процессы пайки без последующей очистки могут быть дешевле, но они оставляют остаточные подтеки, снижающие адгезию покрытия. Для устранения подтеков можно применять более дорогие покрытия, что увеличивает стоимость готового продукта, но зато дает ему возможность противостоять самым жестким условиям эксплуатации, включая удары и трение.

Все лучшее - в одном!

Такая комбинация подбора процессора, защищенного решения и производственных технологий позволяет новому процессорному модулю CoreModule 800 на базе процессора с тактовой частотой 1 ГГц решить, казалось бы, неразрешимую проблему совмещения высокой производительности, вибрации и отвода тепла, не выходя за рамки спецификации PCI-104. При толщине печатной платы вдвое больше стандартной данный продукт обладает достаточной прочностью для работы на борту вертолета, в крыльях самолета, на морских судах, поездах и в военных транспортных средствах, даже при использовании в пустыне.

Колин МакКрэкен (Colin McCracken) обладает 17-летним опытом работы на рынке встраиваемой электроники, включая 4 года работы директором по маркетингу компании Ampro. Колин получил степень MBA в университете Сиэтла, степень BSEE в университете Дюка, степень бакалавра математики и физики в колледже Уитмана.