 |
Совершенствование технологического процесса изготовления элемента банкомата
|
|
|
|
Применение печатных плат, позволяет увеличить:
а) надежность элементов, узлов и ЭВС в целом;
б) технологичность, за счет автоматизации некоторых процессов сборки и монтажа;
в) плотность размещения элементов за счет уменьшения габаритов и массы;
г) быстродействие;
д) помехозащищенность элементов и схем.
Печатные платы (ПП) предназначены для электрического соединения элементов схемы между собой и в общем, случае представляют вырезанный по размеру материал основания, содержащий необходимые отверстия и проводящий рисунок, который может быть выполнен как на поверхности, так и в объеме основания (ГОСТ 20406-75).
В качестве материалов оснований печатных плат используются различные диэлектрики (ткань и бумага, пропитанные смолами, пластмассы, керамика, металлы, покрытые диэлектриком и т.д.) Проводящий рисунок на основании может быть получен обработкой фольгированных диэлектриков (субстрактивные методы), созданием металлических пленок при химическом и гальваническом осаждении металлов, нанесением пленок по тонкопленочной и толстопленочной технологии (полу аддитивные и аддитивные методы).
В зависимости от жесткости материала основания различают гибкие (ГПП) и жесткие печатные платы. Определен ряд значений толщин оснований печатных плат: гибких (0.1, 0.2, 0.4 мм) и жестких (0.8, 1.0, 1.5, 1.8, 2.0, 3.0 мм).
По конструктивному исполнению ПП классифицируются на односторонние печатные платы (ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП). По способу получения межслойных соединений различают платы с металлизированными отверстиями, выступающими выводами, открытыми контактными площадками и т.д.
При разработке печатных плат конструктору необходимо решить следующие задачи:
|
|
|
а) конструктивные: размещение элементов на печатной плате, посадочные элементы, контактирование, трассировка печатных проводников, минимизация количества слоев;
б) схемотехнические (радиотехнические): расчет паразитных наводок, параметров линий связи и;
в) теплотехнические: температурный режим печатной платы, теплоотвод;
г) технологические: выбор метода изготовления, защита и.
Все эти задачи взаимосвязаны. Так, от выбора метода изготовления зависят точность размеров проводников и их электрические характеристики; от расположения печатных проводников – степень влияния их друг на друга и т.д.
В настоящее время известно более 40 различных технологических методов изготовления печатных плат. Метод изготовления печатных плат необходимо выбирать при эскизной компоновке аппаратуры, в процессе которой определяются основные габариты и размеры плат, требуемая для данных изделий ЭВС плотность монтажа.
Комбинированный метод. Комбинированный метод изготовления печатных плат заключается в химическом травлении фольгированного диэлектрика с последующей металлизацией монтажных отверстий. Комбинированный способ позволяет получать проводники шириной 0,1 мм и менее с расстоянием между ними 0,2 – 0,3 мм. Существует несколько модификаций метода, отличающихся по отдельным операциям.
Конструирование печатных плат осуществляется ручным, полуавтоматизированным и автоматизированным методами. Автоматизированный метод предусматривает кодирование исходных данных, размещение навесных изделий электронной техники (ИЭТ) и трассировку печатных проводников с использованием ЭВМ, что обеспечивает более высокую производительность при конструировании и разработке конструкторской документации.
Особое значение при конструировании печатных плат имеет НТД: ГОСТы, ОСТы, СТП. В настоящее время их используется до нескольких десятков. Одними из основных документов являются: ГОСТ 23751-86 и ГОСТ 23752-79. ГОСТ 23751-86 устанавливает основные конструктивные параметры ПП (размеры печатных проводников, зазоров, контактных площадок, отверстий и т.п.), позиционные допуски расположения элементов конструкций, электрические параметры. ГОСТ 23752-79 определяет требования к конструкции ПП и ее внешнему виду, к электрическим параметрам, к паяемости и перепайке, к устойчивости при климатических и механических воздействиях.
|
|
|
Печатные платы должны сохранять конструкцию, внешний вид и электрические параметры в пределах норм при климатических, механических, радиационных и других внешних и внутренних воздействиях. Поэтому, на первом этапе, по результатам изучения требований технического задания на проектирование изделия ЭВС в состав которого входят ПП (электронного модуля, печатного узла и т. п.), выясняют те из них, которые могут определить конструкцию и технико-экономические характеристики ПП. Например, условия эксплуатации, хранения и транспортирования, условия сборки узлов, требования по ремонтопригодности, технологичности, стоимости и др.
При выборе типа печатной платы (ОПП, ДПП или МПП) обычно учитываются следующие факторы:
– возможность автоматизации процессов изготовления, контроля и при установке навесных ИЭТ;
– технико-экономические показатели как ПП, так и проектируемого изделия ЭВС, такие как, стоимость, габариты и др.
Возможность выполнения всех коммутационных соединений может быть приближенно оценена путем расчета трассировочной способности и количества слоев ПП. При выборе типа ПП следует учитывать, что двусторонние печатные платы имеют сравнительно низкие коммутационные возможности, но одновременно обладают низкой стоимостью и повышенной ремонтопригодностью. Многослойные печатные платы, имея высокие коммутационные способности, высокую помехозащищенность электрических цепей, обладают высокой стоимостью конструкции и низкой ремонтопригодностью.
После выбора типа печатной платы приступают к выбору класса точности изготовления печатных плат. ГОСТ 23751-86 устанавливает пять классов точности выполнения размеров элементов ПП. Печатные платы 1 и 2 классов точности просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость; 3 класса – требуют использования высококачественных материалов, более точного инструмента и оборудования. Обычно проводящий рисунок на основании ПП 1-3 классов может быть получен обработкой фольгированных диэлектриков субстрактивными методами. Печатные платы 4 и 5 классов требуют специальных материалов, дорогостоящего прецизионного оборудования и особых условий для изготовления ПП. Создание печатного рисунка обычно достигается здесь избирательным нанесением металлических пленок при химическом и гальваническом осаждении металлов, нанесении пленок по тонкопленочной и толстопленочной технологии (полуаддитивные и аддитивные методы). Класс точности определяет наименьшие номинальные значения основных размеров конструктивных элементов, такие как: ширина проводника, расстояние между центрами (осями) двух соседних проводников (контактных площадок), ширина гарантированного пояска металлизации контактной площадки и др. Выбор определенного класса точности на данной стадии конструирования должен быть в дальнейшем подтвержден соответствующими расчетами, вытекающими из требований к электрическим параметрам и надежности платы, а также из конструктивно-технологических и других соображений.
|
|
|
Особое значение имеет выбор формы и размеров печатной платы. Приемлемым является расположение межсоединений или на одной ПП (идеальное решение) или хотя бы на минимальном их количестве. Вследствие этого целесообразно применение крупноформатных печатных плат. С другой стороны, проще выполнять раскладку печатных проводников на небольшой плате. Поскольку важнейшими параметрами конструкций печатных плат являются электрические параметры, в значительной мере определяющие быстродействие ЭВС, то это обстоятельство также влияет на выбор размеров ПП.
Другими критериями выбора размеров, формы, а также мест крепления ПП могут быть, например, установочные размеры узлов, размеры и форма ИЭТ; эксплуатационные характеристики ЭВС; использование автоматизированных методов установки навесных элементов, пайки, контроля, а также другие технико-экономические показатели. Размеры сторон печатных плат должны соответствовать ГОСТ 10317-79 и другим НТД, разработанным в его ограничение. Такими НТД, например, могут являться ГОСТы, ОСТы или СТП, определяющие типоразмеры конкретных систем базовых конструкций ЭВС. Обычно рекомендуется разрабатывать ПП прямоугольной формы с соотношением сторон не более 3:1.
|
|
|
Толщину основания печатной платы Hп,в основном, определяют в зависимости от механических нагрузок на печатную плату и от ее конструктивных особенностей. Толщина печатной платы также определяет технологические возможности металлизации отверстий.
Толщину МПП определяют толщиной материала основания с учетом толщины фольги. Если на печатной плате конструктивно размещаются концевые печатные контакты (ламели) разъемных соединителей прямого сочленения, то при выборе толщины ПП следует учитывать, что допуск на суммарную толщину ПП и на соединитель должны сопрягаться, следовательно, выбираем толщину печатной платы равную 1,8 мм.
Выбор материала основания производят с учетом обеспечения электрических и физико-математических характеристик ПП в результате воздействия климатических факторов, механических нагрузок, агрессивных химических средств и т.п. В некоторых случаях в качестве материалов оснований печатных плат могут применяться нетрадиционные материалы: керамика, металлы с диэлектриками, композиционные и составные материалы.
С целью обеспечения стабильности параметров печатных плат, обеспечения паяемости, защиты от коррозии, применяют конструктивные металлические покрытия. Материалами таких покрытий обычно являются: сплав Розе (1.5-3 мкм); сплав О-С (9-15 мкм); серебро-сурьма (6-12 мкм); медь (25-30 мкм) и др.
Для защиты печатных проводников и поверхности основания печатной платы от воздействия припоя, для защиты элементов проводящего рисунка от замыкания навесными элементами возможно применение диэлектрических защитных покрытий на основе эпоксидных и др. смол, лаков, эмалей и т.п.
Конструирование может быть реализовано различными методами: геометрическим, машиностроительным, топологическим, проектирования моноконструкций, базовым, эвристическим и автоматизированного проектирования. Дадим краткую характеристику некоторым из них.
Геометрический метод. В основу метода положена структура геометрических и кинематических связей между деталями, представляющая собой систему опорных точек, число и размещение которых зависит от заданных степеней свободы и геометрических свойств тела.
|
|
|
Этот метод является основным средством решения задачи во всех случаях, когда от конструкции требуется высокая точность взаимного перемещения деталей или длительное и точное сохранение определенных параметров, зависящих от расположения деталей.
Машиностроительный метод. В основу этого метода положена структура геометрических и кинематических связей между деталями, представляющая собой систему опорных поверхностей, число и размещение которых выбирается из минимизации массы и допустимой прочности конструкции.
Метод нашел применение при проектировании несущих конструкций ЭВА всех уровней, кинематических звеньев функциональных узлов, а также всех видов неподвижных соединений.
Топологический метод. В основу его положена структура физических связей между ЭРЭ, т. е. представление конструктивного вида электрической схемы и ее геометрической (топологической) связности, независимо от ее функционального содержания.
Базовый метод конструирования. В основу метода положено деление аппаратуры на конструктивно и схемно-законченные части. Базовый метод конструирования и его разновидности (функционально-модульный, функционально-узловой и функционально- блочный методы) основываются на принципах агрегатирования, функциональной и размерной взаимозаменяемости, схемной и конструктивной унификации. Деление базового метода на разновидности связано с ограничениями схемной и конструкторской унификации структурных уровней (модулей, функциональных узлов, блоков).
Конструкторские расчеты - один из основных разделов дипломного проекта. В данном разделе проверяется соответствие основных характеристик разработанного устройства, предъявляемым техническим требованиям.
Выбираются способы защиты от воздействия внешних факторов, таких, например, как вибрации и повышенная температура.
В процессе расчетов выбирается компоновочная схема устройства, метод и принцип его конструирования.
На конструкцию устройства воздействуют вибрации, поэтому необходимо провести расчет на виброзащищенность конструкции путем расчета собственной частоты колебаний печатной платы.
Надежность является одним из главных технических параметров, характеризующих ЭВА. Расчетные значения показателей надежности служат отправным моментом при окончательном выборе схемных и конструктивных решений.
Компоновка – размещение в пространстве или на плоскости различных элементов ЭВА. Это одна из важнейших задач при конструировании. Различают внутреннюю и внешнюю компоновку. Задачи внутренней компоновки связаны с размещением элементов в объёме корпуса блока, стойки, на плоскости платы на основе учёта следующих групп факторов:
а) функциональные связи между элементами, которые отображаются принципиальной или функциональной схемой прибора;
б) факторы, связанные с геометрическими размерами элементов, их формой, расположением выводов элементов как по отношению друг к другу, так и с соответствующими выводами данного изделия;
в) паразитные связи между отдельными элементами или целыми изделиями;
г) факторы, учитывающие наличие внутренних перегревов внутри изделия.
Задача внешней компоновки - согласование параметров человека - оператора с параметрами ЭВА и объекта установки. В процессе внешней компоновки решаются следующие задачи:
а) выбор размеров, формы и веса, цветовой гаммы отдельных приборов;
б) расположение органов управления, регулировки и контроля;
в) количество и качество информации, полученной на индикаторах;
г) оцифровка шкал, выбор количества делений на них, формы и размера шкал;
д) обеспечение нормальных условий жизнедеятельности оператора.
Перед тем, как приступить непосредственно к компоновке печатной платы, необходимо, каким из принципов конструирования мы будем руководствоваться. Приведем краткое описание используемых принципов конструирования.
Моносхемный – заключается в том, что полная принципиальная схема располагается на одной печатной плате.
Преимуществом моносхемного принципа конструирования является простота, отсутствие межблочных и переходных соединений, что улучшает электрические параметры, повышает надежность изделия, удешевляет его, сокращая количество крепежа и вспомогательных элементов, а также уменьшает общий вес и габариты.
Этот принцип такой, главным образом, при конструировании изделий, где основным фактором является низкая себестоимость и низкая отпускная цена.
Схемно-узловой – при котором на одной печатной плате располагается часть полной принципиальной схемы, имеющая четко выраженные входные и выходные характеристики.
Достоинством принципа, наряду с широкой универсальностью являются простота конструирования и изготовления изделий, более легкое решение задачи теплоотвода, более высокая по сравнению с моносхемным принципом ремонтопригодность.
К недостаткам метода относятся невысокая стойкость к механическим нагрузкам, наличие на платах сменных и регулируемых компонентов, отрицательно влияющих на защиту узла от климатических воздействий, необходимость прибегать к сложным соединениям, увеличивающим паразитные токи емкости и вносящих нежелательные переходные сопротивления.
Этот принцип наиболее целесообразно использовать при проектировании изделий широкого применения, где экономичность производства является основным, а условия работы не отличаются высокой жесткостью.
Каскадно - узловой, при котором полная принципиальная схема изделия расчленяется на каскады узко специализированного назначения, располагаемые на отдельных печатных платах. Расчленения схемы на каскады хотя и прощает ее производство, но резко увеличивает число объемных вспомогательных компонентов, то есть удорожает схему.
К недостаткам принципа конструирования следует отнести увеличение числа коммутирующих, арматурных и крепежных деталей, что приводит к увеличению общего объема и веса изделия, а также ухудшению параметров схемы из-за воздействия переходных сопротивлений и паразитных емкостей на соединителях.
От правильного расположения радиоэлементов зависят такие параметры как габариты, масса, надежность работы, помехоустойчивость. Чем плотнее будут радиоэлементы на плоскости, тем сложнее автоматизировать их монтаж, тем более жестким будет температурный режим их работы, тем больший уровень помех будет наводиться в сигнальных связях. И наоборот, чем больше расстояние между микросхемами, тем менее эффективно используется площадь печатной платы, тем больше длина связей. Поэтому при установке радиоэлементов на печатную плату следует учитывать все последствия выбора того или иного варианта размещения. Выбор шага радиоэлементов на печатной плате определяется требуемой плотностью компоновки, температурным режимом работы, методом разработки топологии печатных плат, сложностью принципиальной схемы и конструктивными параметрами корпуса применяемых радиоэлементов. Вне зависимости от типа корпуса шаг установки микросхем рекомендуется принимать кратным 1,27 мм, что соответствует зарубежной системе координат. При этом зазоры между корпусами не должны быть меньше 1,5мм.
|
|
|
