Главная | Обратная связь
МегаЛекции

Конструкторско-технологическая часть





 

10.1 Разработка печатной платы управления

 

В данном разделе рассматривается разработка печатной платы на персональном компьютере с помощью системы автоматизированного проектирования P-CAD.

 

10.1.1 Выбор системы проектирования.

Внедрение в инженерную практику методов автоматизации проектирования позволяет перейти от традиционного макетирования разрабатываемой аппаратуры к ее моделированию с помощью персональных компьютеров (ПК). Кроме того, с помощью ПК возможно осуществить цикл сквозного проектирования, включающий в себя:

– синтез структуры и принципиальной схемы устройства;

– анализ его характеристик в различных режимах с учетом разброса параметров компонентов;

– синтез топологии, включая размещение элементов на плате или кристалле и разводку соединений;

– верификацию топологии;

– выпуск конструкторской документации.

Для большинства устройств их структура и принципиальная схема в существенной степени зависят от области применения и исходных данных на проектирование, что создает большие трудности при синтезе принципиальной схемы с помощью ПК. Поэтому обычно первоначальный вариант схемы составляется инженером «вручную» с последующим моделированием и оптимизацией на ПК.

Топология печатной платы (ПП) разрабатывается после завершения схемотехнического моделирования. На этом этапе проектирования осуществляется размещение элементов на ПП и трассировка соединений. Наиболее успешно разрабатываются ПП цифровых устройств, где вмешательство человека в процесс синтеза топологии сравнительно невелико. Разработка аналоговых устройств требует гораздо большего участия человека в процессе проектирования, коррекции и при необходимости в частичной переделке результатов автоматизированного проектирования. Основная сложность при разработке аналоговой аппаратуры заключается в автоматизации синтеза топологии и обеспечении взаимодействия программ моделирования схем и синтеза топологии. Кроме того, достаточно формализовать многочисленные дополнительные требования к аналоговым устройствам, например, требование электромагнитной совместимости компонентов и др.



Заключительным этапом разработки является верификации топологии. На нем проверяются соблюдение технологических норм, соответствие топологии исходной принципиальной схеме, а также рассчитываются электрические характеристики схемы с учетом паразитных параметров, присущих конкретной конструкции.

Приведем краткий обзор наиболее известных комплексов программ автоматизированного проектирования ПП на ПК.

Один из самых простых пакетов программ конструкторского проектирования – пакет smARTWORK фирмы «Wintek Corp.», который включает в себя графический редактор двухсторонней ПП, программу ручной и автоматической трассировки соединений и программу выдачи чертежей на плоттер. Большими функциональными возможностями обладает пакет «OrCAD System Corp.», в котором имеется графический редактор принципиальных схем и ПП, а также программы моделирования цифровых устройств и трассировки соединений (однако программа автоматического размещения компонентов отсутствует). Привлекательность этому пакету придают удобный графический редактор и возможность перекодирования списка соединений схемы в формат таких программ, как P-CAD, Pspice и др.

Система Personal Logical фирмы «Saisy System Corp.» позволяет проектировать цифровые устройства, включая микропроцессоры, контроллеры и устройства памяти. Большие успехи достигнуты в создании САПР цифровых устройств на базе программируемых логических матриц (ПЛМ). Разработка ПЛМ возможна с помощью системы P-CAD и последних разработок фирмы «OrCAD System Corp.».

Известны также и отечественные разработки «МАГИСТР-П», «Минск ПК», «ГРИФ», «ГРОТЕСК» и ряд других.

Для проектирования ПП была выбрана одна из самых мощных систем автоматизированного проектирования на ПК – система P-CAD фирмы «Personal CAD System». В нее входят редакторы принципиальных схем и многослойных ПП, программы моделирования цифровых устройств, автоматического размещения компонентов на ПП и трассировки соединений, выдачи чертежей на принтер, плоттер, фотопостроитель, выдачи данных на сверлильные станки с ЧПУ, а также вспомогательные сервисные программы.

Доработка чертежей, созданных в системе P-CAD, в соответствии с требованиями ЕСКД осуществлялась в пакете машинной графики AutoCAD фирмы «Autodesk».

 

10.1.2 Функциональные возможности и структура системы проектирования P – CAD (2001)

 

Система P – CAD позволяет выполнить следующие проектные операции:

– создание условных графических обозначений элементов принципиальной электрической схемы (УГО) и их физических образов (конструктивов);

– графический ввод чертежа принципиальной электрической схемы и конструктивов проектируемого устройства;

– одно- и двухстороннее размещение разногабаритных элементов с планарными и штырьевыми площадками на поле ПП с печатными шинами питания в интерактивном и автоматическом режимах;

– ручную и автоматическую трассировку печатных проводников произвольной ширины в интерактивном режиме;

– размещение межслойных переходов;

– автоматизированный контроль результатов проектирования ПП на соответствие принципиальной электрической схемы и конструкторско-технологическим ограничениям;

– автоматическую коррекцию электрической принципиальной схемы по результатам размещения элементов на ПП (после эквивалентной перестановки компонентов или их выводов);

– полуавтоматическую коррекцию разработанной ПП по изменениям, внесенным в принципиальную электрическую схему;

– выпуск конструкторской документации (чертеж электрической принципиальной схемы, сборочный чертеж) и технологической информации (фотошаблоны и файлы данных для сверления отверстий с помощью станков с ЧПУ) на проектируемую ПП.

Программный комплекс системы P-CAD 2001 включает в себя взаимосвязанные пакеты программ. В состав входят:

- Symbol Editor – редактор условных графических обозначений элементов принципиальной электрической схемы;

- Pattern Editor – редактор физических образов компонентов РЭА;

- Library Executive – программа создания библиотек компонентов;

- Schematic – редактор электрических принципиальных схем;

- PCB – программа для создания чертежа печатной платы;

- P – CAD Shape Route – автоматический трассировщик плат.


10.1.3 Процесс проектирования печатной платы

 

Процесс проектирования ПП состоит из нескольких этапов. На каждом из них используется отдельные модули системы P-CAD. Перейдем к систематическому описанию основных этапов проектирования ПП.

Этап 1. Создание условных графических обозначений элементов принципиальной электрической схемы.

Этап 2. Создание физических образов компонентов РЭА.

Этап 3. Создание библиотеки компонентов РЭА.

Этап 4. Создание чертежа принципиальной электрической схемы, составление списков электрических связей схемы и проверка схемы.

Этап 5. Размещение компонентов на ПП вручную или автоматически и интерактивно с помощью программы.

Этап 6. Трассировка соединений с помощью программы P – CAD Shape Route.

Этап 7. Работа со вспомогательными программами (утилитами) для верификации ПП, сопоставление чертежей принципиальных электрических схем и ПП и внесение в них изменений.

Этап 8. Выпуск конструкторской и технологической документации.

 

10.1.4 Создание чертежа печатной платы.

Перед размещением компонентов на ПП необходимо с помощью программы РСВ:

– нарисовать форму ПП;

– нарисовать поле трассировки;

– разместить размеры и другие компоненты, расположение которых должно быть зафиксировано;

– присвоить позиционные обозначения зафиксированным компонентам;

– установить элементы крепления;

– нанести барьеры трассировки;

Программа РСВ создает барьеры, запрещающие программе P – CAD Shape Route трассировать в автоматическом режиме проводники и располагать переходные отверстия в определенных областях ПП. Необходимость в этом возникает в случае, если по технологическим требованиям на части ПП не могут размещаться ни проводники, ни переходные отверстия.

Различаются два типа барьеров: барьеры для проводников и барьеры для переходных отверстий. Барьеры для проводников запрещают программе размещать проводники и переходные отверстия в области, ограниченной барьером.

Барьеры для переходных отверстий запрещают программе размещать переходные отверстия в отмеченной области, но допускают прокладку в них проводников.

Автоматизированное получение топологии (трассировки) ПП – один из ответственных этапов проектирования РЭА. Непосредственно перед запуском программы трассировки производится настройка пакета на определенные параметры, совокупность которых образует стратегию трассировки.

Настраиваемые параметры условно разделяются на следующие группы:

1. Настройка самого пакета автотрассировки:

– задание числа пар слоев;

– выбор шага сетки (1,25 мм);

– выбор типа алгоритма трассировки;

– задание числа итераций (число проходов программы) и т.д.

2. Приведение в соответствие типов используемых контактов и графических образов контактных площадок.

3. Выбор ширины трассируемых проводников (0,5мм) и минимального расстояния между ними (0,3 мм).

После завершения формирования стратегии запускается программа трассировки. В соответствии с заданной стратегией просматриваются и выбираются связи, ведется поиск пути их соединения, проводится связь. Неразведенные связи оставляются до следующего прохода программы, в котором идет просмотр оставшихся неразведенными связей и ведется попытка их соединить. Пользователь может на экране наблюдать работу программы.

Результат автоматической трассировки ПП с помощью программы P – CAD Shape Route представлен в графической части на чертежах ПП 011, ПП 021.

В результате проектирования были разработаны две двухсторонние ПП, имеющие габаритные размеры 112,5х132,5 мм и 92,5х75 мм.

 

10.2 Технологический процесс изготовления печатной платы

 

Под технологичностью конструкции понимают такое свойство определенных узлов и деталей изделия, которое позволяет изготовить это изделие с наименьшими затратами. Технологичность конструкции включает в себя:

- возможность применения в новом изделии стандартных и унифицированных частей.

- возможность применения автоматизации и механизации при изготовлении изделия.

- наименьшую трудоемкость изготовления изделия.

Изготовление печатной платы производится печатным способом.

При серийном производстве любой электрической схемы лучше пользоваться печатным монтажом. Печатная плата представляет собой твердую пластину из непроводящего материала с тонкими медными линиями, являющимися схемными проводниками. Несмотря на то, что ранние печатные схемы считались малонадежными, технологические процессы создания материалов для печатной схемы и производства законченных плат достигли в настоящее время такого уровня, что изготовление печатной схемы практически не представляет проблемы. Печатные платы являются самой надежной техникой монтажа и, как правило, используются в компьютерах, в космических аппаратах, в военной электронной технике.

Печатный монтаж технологически совершеннее навесного. Установка и пайка элементов на печатной плате поддается автоматизации, что ведет к уменьшению стоимости изделия. Печатный монтаж имеет повышенную надежность, хорошую повторяемость параметров монтажа, что уменьшает продолжительность пайки, и соединение получается наиболее герметичным.

Процесс изготовления печатной платы ведется комбинированным позитивным методом. При этом методе диэлектрик защищен от воздействия агрессивных сред (растворов) сплошным слоем фольги, что обеспечивает сцепление проводников с изоляционным основанием более качественно, чем у других методов. Метод позволяет изготовлять печатные платы с повышенной плотностью монтажа и высокими электрическими параметрами.

Недостаток метода состоит в некотором ухудшении свойств материала подложки в результате воздействия химических веществ в процессе травления фольги.

В целом метод рекомендуется для изготовления печатных плат для аппаратуры, работающей в жестких климатических условиях эксплуатации.

Изготовление печатной платы начинается с того, что, имея комплект плакатов рабочего размера, вычерчивают непрозрачный рисунок из треков и контактных площадок, требуемых по схеме. Эти плакаты обычно выполняют непосредственно на пленке, используя фото-графопостроитель, управляемый ЭВМ, или лазерный графопостроитель, работающий по описанию схемы, разработанной с помощью системы автоматизированного проектирования (САПР).

Для самых простых схем используют односторонние платы, в которых все дорожки делаются на нижней стороне, а на верхней располагают схемные элементы. Для более сложных схем используют двухсторонние ПП. В двухсторонних платах используют металлизированные переходные отверстия, которые являются чистыми проводниками между соответствующими контактными площадками, расположенные по разные стороны панели.

Обе стороны платы печатной схемы (обычно это пластина толщиной 2мм из так называемого FR-4, огнеупорного стекловолокна, пропитанного эпоксидной смолой) покрывают медью. На первой стадии сверлятся отверстия либо по трафарету, либо на автоматическом сверлильном станке, настроенном по размерам фотопозитива, полученного с помощью фотоплотера. Отверстия затем металлизируются насквозь путем комбинированного многослойного осаждения меди, благодаря чему создаются непрерывные проводящие соединения с одной стороны платы на другую.

Следующая стадия заключается в создании слоя твердого «резиста», наносимого на обе стороны платы всюду, кроме тех участков, где согласно схеме фольга должна остаться. При этом поступают так:

- плату покрывают светочувствительным слоем (обычно это тонкая клейкая «сухая пленка»);

- экспонируют светом через полноразмерный фотопозитив, положенный сверху;

- химически «проявляют» пленку (как в обычной фотографии), чтобы закрепить экспонированные участки.

Этот этап аналогичен фотографическому процессу «фиксирования» с последующим удалением неэкспонированных участков, которые в точности соответствуют линиям плаката. Эти линии, в конечном счете, должны стать схемными дорожками. Затем плату с рисунком из резиста, защищающего участки, с которых медную фольгу нужно будет удалить, погружают в ванну с расплавленным припоем. В итоге все нужные участки рисунка из фольги, включая внутреннюю поверхность отверстий, оказывается покрытыми слоем припоя.

Затем резист снимается химическим способом, оголяя удаленную медную фольгу, и плату обрабатывают составом, травящим медь, после чего остается требуемый рисунок из меди и металлизированные отверстия, покрытые припоем.

Очень важно выполнить процедуру, называемую «плавление припоя». Она состоит в том, что плата нагревается до температуры плавления тонкого слоя металла покрытия, что уничтожает крошечные металлические волоски – «усики» (остающиеся после подрезающего действия травления). Платы, прошедшие оплавление припоя, превосходны и с точки зрения «набивки» компонентами.

Затем контакты разъемных соединений покрывают золотом гальваническим методом. Конечный процесс изготовления платы заключается в нанесении «паяльной маски». Маска наносится сплошным слоем на всю плату и закрывает все участки с фольгой, кроме контактных площадок. В процессе последующей распайки это сильно снижает тенденцию к растеканию припоя и образованию мостиков между близко расположенными проводящими дорожками. Это также делает плату устойчивой к влажности и механическим повреждениям. Материалы для паяльной маски могут применяться в трафаретной печати («жидкая маска») или в вышеупомянутом методе с фоторезистом, используемым для создания схемного рисунка из фольги («сухая маска»). При промышленном изготовлении платы заполнение ее компонентами и пайка типа «волной» может производиться автоматически. Однако можно паять и компоновать панели в ручную.

 Полный технологический процесс описан в ОСТ 410.054-223.

1.Изготовление заготовки фольгированного диэлектрика.

2.Выполнение базовых отверстий.

3.Подготовка поверхностей заготовок фольгированного диэлектрика.

4.Получение рисунков схемы на заготовке печатной платы.

5.Нанесение светочувствительного раствора на поверхность заготовки.

6.Сушка.

7.Нанесение второго слоя светочувствительного раствора.

8.Сушка.

9.Проверка качества нанесения светочувствительного раствора.

10. Экспонирование изображения рисунка.

11. Проявление рисунка.

12. Окраска изображения.

13. Промывка.

14. Проверка качества проявления.

15. Химическое задубливание.

16. Промывка.

17. Сушка.

18. Температурное задубливание.

19. Проверка качества и точности выполнения рисунка схемы.

20. Нанесение лака.

21. Зачистка поверхности.

22. Промывка.

23. Декопирование.

24. Промывка.

25. Сушка.

26. Нанесение слоя лака.

27. Сушка.

28. Нанесение слоя лака.

29. Сушка.

30. Проверка качества нанесения лака.

31. Сверление отверстий.

32. Химическое меднение.

33. Обезжиривание печатной платы.

34. Промывка.

35. Протравливание поверхности меди на торцах контактной площадки.

36. Промывка.

37. Декопирование.

38. Промывка.

39. Сенсибилизация поверхности заготовок.

40. Промывка.

41. Активизирование.

42. Промывка.

43. Химическое меднение.

44. Промывка.

45. Проверка качества слоя меди в отверстиях.

46. Удаление масла.

47. Оплавливание.

48. Проверка качества слоя меди в отверстиях.

49. Отработка печатных плат по контуру.

50. Маркировка.

51. Контроль.

 

 Сборочные чертежи печатных плат представлены в графической части ПП.010 СБ, ПП.020 СБ.

Сборочный чертеж пульта проверки представлен в графической части ПП.000 СБ.

Плата печатная поз.1 расположена над платой печатной поз.2 датчиком крена поз.3 внутри основания поз.8.

Платы крепятся к основанию посредством втулок поз.12 винтами поз.31 и гайками поз.38, датчик крена – винтами поз.27.

Крышка крепится к основанию посредством втулок поз.10 винтами поз.33.

Сбоку основания расположены разъемы Х3,АЭ и ПИ поз.44, а также вилка поз.46 (Х4) и через провода поз.52, расположенные в трубке поз.55, соединены с платами печатными поз.25 (Х6,Х7).

На крышке поз.9 расположены тумблеры поз.43 (SA1,SA2), переключатель поз.41 (SA3), светодиод поз.4, а также зажимы поз.48,49 (XS1…XS6).

 





Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015- 2019 megalektsii.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.