Разработка устройства охранной системы (стр. 5 )

("27") Турбулентность и высокое давление потока припоя исключает формирование полостей с газообразными продуктами разложения флюса. Однако турбулентная волна все же образует перемычки припоя, которые разрушаются второй, более пологой ламинарной волной с малой скоростью истечения. Вторая волна обладает очищающей способностью и устраняет перемычки припоя, а также завершает формирование галтелей.

Пайка двойной волной припоя применяется в настоящее время для одного типа коммутационных плат: с традиционными компонентами на лицевой стороне и монтируемыми на поверхность простыми компонентами (чипами и транзисторами) на обратной. Некоторые компоненты для ТПМК (даже пассивные) могут быть повреждены при погружении в припой во время пайки. Поэтому важно учитывать их термостойкость. Если пайка двойной волной применяется для монтажа плат с установленными на их поверхности компонентами сложной структуры, необходимы некоторые предосторожности:

применять поверхностно монтируемые ИС, не чувствительные к тепловому воздействию; снизить скорость транспортера; проектировать коммутационную плату таким образом, чтобы исключить эффект затенения.

Пайка расплавлением дозированного припоя с инфрокрасным (ИК) нагревом

Процесс пайки компонентов, собранных на коммутационной плате, с помощью ИК-нагрева аналогичен пайке в ПГФ, за исключением того, что нагрев платы с компонентами производится не парами жидкости, а ИК-излучением.

Основным механизмом передачи тепла, используемым в установках пайки с ИК-нагревом, является излучение. Передача тепла излучением имеет большое преимущество перед теплопередачей за счет теплопроводности и конвекции в описанных ранее методах, так как это единственный из механизмов теплопередачи, обеспечивающий передачу тепловой энергии по всему объему монтируемого устройства. Остальные механизмы теплопередачи обеспечивают передачу тепловой энергии только поверхности монтируемого изделия. В отличие от пайки в ПГФ, в процессе пайки с ИК-излучением скорость нагрева регулируется изменением мощности каждого излучателя и скорости движения транспортера с коммутационными платами. Поэтому термические напряжения в компонентах и платах могут быть снижены посредством постепенного нагрева микросборок. Основным недостатком пайки с ИК-нагревом является то, что количество энергии излучения, поглощаемой компонентами и платами, зависит от поглощающей способности материалов, из которых они изготовлены. Поэтому нагрев осуществляется неравномерно в пределах монтируемого устройства. Пайка кристаллоносителей без выводов или с J-образными выводами может оказаться невозможной в установках с ИК-нагревом, если компонент непрозрачен для ИК-излучения.

Пайка расплавлением дозированного припоя в парогазовой фазе (ПГФ)

Пайка расплавлением дозированного припоя применима только к микросборкам с поверхностным монтажом. Она значительно отличается от ранее описанных методов. Процесс начинается с нанесения способом трафаретной печати припойной пасты на контактные площадки коммутационной платы. Затем на поверхность платы устанавливаются компоненты. В ряде случаев припойную пасту просушивают после нанесения, с целью удаления из ее состава летучих ингредиентов или предотвращения смещения компонентов непосредственно перед пайкой. После этого плата разогревается до температуры расплавления. В результате образуется паяное соединение между контактной площадкой платы и выводом компонента. Такая техника пайки применима к коммутационным платам без монтируемых в отверстия компонентов, т. е. с набором только поверхностно монтируемых компонентов любых типов.

Метод пайки в парогазовой фазе является разновидностью пайки расплавлением дозированного припоя, в ходе которой пары специальной жидкости конденсируются на коммутационной плате, отдавая скрытую теплоту парообразования открытым участкам микросборки. При этом припойная паста расплавляется и образует галтель между выводом компонента и контактной площадкой платы. Когда температура платы достигает температуры жидкости, процесс конденсации прекращается, тем самым заканчивается и нагрев пасты. Повышение температуры платы, от ее начальной температуры (например, окружающей среды перед пайкой) до температуры расплавления припоя, осуществляется очень быстро и не поддается регулированию. Поэтому необходим предварительный подогрев платы с компонентами для уменьшения термических напряжении в компонентах и местах их контактов с платой. Температура расплавления припоя также не регулируется и равна температуре кипения используемой при пайке жидкости. Такой жидкостью является инертный фторуглерод, например РС-70 производства фирмы ЗМ.

Лазерная пайка

Лазерная пайка (пайка лучем лазера) не относится к групповым методом пайки, поскольку монтаж ведется по каждому отдельному выводу либо по ряду выводов. Однако бесконтактность приложения тепловой энергии позволяет повысить скорость монтажа до 10 соединений в секунду и приблизиться по производительности к пайке в паровой фазе и ИК излучением

По сравнению с другими методами лазерная пайка обладает рядом следующих преимуществ. Во время пайки печатная плата и корпуса элементов практически не нагреваются, что позволяет монтировать элементы, чувствительные к тепловым воздействиям. В связи с низкой температурой пайки и ограниченной областью приложения тепла резко снижаются температурные механические напряжения между выводом и корпусом. Выбор материала основания не является критическим. Кратковременные действия тепла - 20...30 мс, резко снижаютсятолщина слоя интерметаллидов, припой имеет мелкозернистую структуру, что положительно сказывается на надежности ПС. Установки лазерной пайки могут быть полностью автоматизированы, при этом возможно использовать данные САПР для печатных плат.

Возможна пайка плат с высокой плотностью компоновки элементов, с размерами контактных площадок до 25 мкм, без образования перемычек на соседние соединения или их повреждения.

При использовании хорошо просушенной паяльной пасты выполненные с помощью лазерной пайки ПС не образуют шариков припоя или перемычек, в результате чего отпадает необходимость применять паяльные маски.

При использовании лазерной пайки нет необходимости в предварительном подогреве многослойной печатной платы, что обычно необходимо делать при пайке в паровой фазе для предотвращения расслоения платы. Не требуется также создавать какую-либо специальную газовую среду. Процесс пайки ведется в нормальной атмосфере без применения инертных газов.

Монтаж методами сварки. При монтаже корпусов микросхем с планарными выводами может быть применена сварка двусторонняя контактная точечная, односторонняя точечная сдвоенным электродом, ультразвуковая, импульсная дуговая, лазерным лучом, металлизацией, например путем напыления при электрическом взрыве проволоки или фольги. Основное требование при монтаже сваркой — правильный выбор размеров контактной площадки. Сварное соединение будет надежным и прочным, если ширина контактной площадки составляет не менее 3—5 диаметров или ширины привариваемого вывода, а длина ее —5—8 диаметров.

К методам объемного монтажа относят монтаж: 1) мягкий однопроводный и жгутовой; 2) жесткий (струнный); 3) накруткой; 4) с помощью пружинных захватов; 5) запрессовкой проводников; 6) приваркой проводников.

Последние четыре метода монтажа разработаны в последние годы специально для микроэлектронных устройств. С их помощью можно получать надежные соединения с высокой плотностью расположения контактов.

("28") Разъемные соединения нашли широкое применение в конструкциях ЭВМ. Особенно велика их роль в больших машинах, где от степени использования разъемов зависят такие характеристики, как технологичность при сборке и настройке и ремонтоспособность при эксплуатации. Наиважнейший узел разъемного соединения — контактная пара, состоящая из двух частей: штыря и гнезда. В рабочем положении для создания электрического контакта одна из этих частей (штырь) должна входить в другую (гнездо). Основное требование, предъявляемое к контактной паре, — обеспечение высокой надежности соединения при воздействии допустимых механических и климатических факторов. Этот параметр зависит от: а) типа (способа) контактирования; б) материалов контактной пары и их покрытий; в) точности изготовления и чистоты обработки; г) величины контактного усилия.

Кроме параметра надежности контактная пара характеризуется переходным сопротивлением (0,01—0,02 Ом), максимальным рабочим током, нестабильностью переходного сопротивления (20—30%), максимальной частотой тока, усилием соединения и разъединения контактов, износоустойчивостью (предельным числом сочленений) и допустимыми условиями эксплуатации.

Размещение микросхем на печатных платах

Микросхемы на печатных платах располагают линейно-многорядно, однако допускается их размещение в шахматном порядке. Такое расположение корпусов микросхем позволяет автоматизировать процессы сборки и контроля, с большей эффективностью использовать полезную площадь печатной платы и прямоугольную систему координат для определения места расположения корпусов.

Перед установкой корпусов микросхем на печатную плату производят предварительную подготовку выводов (подрезку, формовку).

Микросхемы в корпусах типа 3 с восемью и двенадцатью выводами устанавливают на печатную плату с предварительной формовкой и подрезкой выводов. Установку микросхем с этими корпусами можно производить с зазором или прокладкой, предварительно наклеиваемой на печатную плату в месте установки микросхем.

Правила выполнения печатных плат.

Рекомендуемые соотношения сторон: 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 3:2, 5:2. Для расположения элементов на печатной плате верхний левый угол корпуса привязывают к выбранному узлу координатной сетки. Все отверстия располагаются в узлах координатной сетки. Расстояние от навесных элементов до печатной платы не менее 1 мм. Монтажные отверстия рисуются с указанием размеров, нумеруются, а их номера, размеры или координаты указываются за пределами рисунка печатной платы в виде таблицы. Диаметры монтажных отверстий: 0,5, 0,8, 1, 1,3, 1,5, 1,8, 2, 2,4 мм. Диаметр отверстия должен быть на 0,5 мм больше диаметра вывода. Вокруг отверстий необходимо создавать контактные площадки на 1 мм больше диаметра отверстия. Если монтаж у печатной платы двухсторонний, то плата ориентируется по срезу в правом верхнем углу. Длина печатных проводников не более 100 мм. Минимальная ширина проводников расстояние между ними для ТЭЗ малой интеграции равно 1 мм. Проводники разводятся по поверхности платы по линиям координатной сетки. При тактовых частотах до 100 МГц используются обычные двухслойные печатные платы; до 200 МГц плату выполняют четырехслойной; до 1 ГГц берутся восьмислойные платы. Вне зависимости от типа платы проводники в различных слоях или на противоположных сторонах располагаются во взаимно перпендикулярных направлениях. ("29") Печатные проводники должны быть минимально короткими. Заземляющие проводники, по которым протекают суммарные токи всех цепей, следует изготовлять максимально широкими.

2.9. Автоматизация проектирования печатной платы устройства

Возможности формального математического описания некоторых конструкторских задач и унификация их постановки позволяют избавить разработчиков от значительного объема «нетворческой» работы при проектировании ЭВМ с помощью самих же ЭВМ. Благодаря широкому использованию ЭВМ при конструировании можно говорить об автоматизации конструкторского проектирования или конструирования, т. е. об автоматизированном конструкторском синтезе устройств ЭВМ с выпуском необходимой конструкторской документации. Для получения эффективных результатов функции конструкторов и ЭВМ необходимо рационально разграничить, что во многом достигается использованием диалогового режима работы. Инженеру-конструктору-технологу, как правило, остаются такие виды деятельности: принятие решений и инженерное творчество; осмысление целей, проблем и содержания проекта; постановка задач проектирования; выбор критериев оценок при решении задач; выбор наилучшего решения и т. п.

Основными задачами конструирования изделий ЭВМ, достаточно легко решаемыми автоматизированным способом, являются: оптимальное проектирование топологии и фотошаблонов ИМС, микросборок и печатных плат; проектирование проводного монтажа; компоновка (размещение) различных модулей низшего иерархического уровня в модули высшего иерархического уровня (например, ИМС на печатные узлы, ячеек в панели и т. д.); выпуск графической и текстовой конструкторской документации.

Автоматизация процесса конструирования ЭВМ дает возможность не только сокращать трудоемкость и сроки разработки конструкций ЭВМ, повышать производительность труда инженеров в проектных организациях, но и улучшать качество и технологический уровень изделий ЭВМ, снижать стоимость разработки.

Автоматизация проектирования на практике осуществляется с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР). При этом под САПР в соответствии с ГОСТ 22487—77 понимается комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов (пользователем системы).

Для эффективной работы САПР при автоматизации процесса конструирования пользователю недостаточно иметь ЭВМ, вернее, ее технические средства, а необходимо наличие именно комплекса взаимосвязанных и взаимодействующих составных частей, называемых обеспечениями САПР.

Различают следующие виды обеспечений САПР: техническое, математическое, программное, лингвистическое, информационное, методическое и организационное. Техническое обеспечение САПР включает универсальные и специализированные технические средства электронно-вычислительной техники для автоматизации процессов проектирования, изготовления и контроля.

Математическое обеспечение САПР — это совокупность математических методов, моделей и алгоритмов проектирования, необходимых для его выполнения. В настоящее время для автоматизированного конструирования ЭВМ широко применяются модели и алгоритмы разбиения схем на подсхемы меньшей сложности, алгоритмы размещения конструктивных модулей (перестановки, силовые и др.), алгоритмы разводки (трассировки) межсоединений различного уровня и т. д. Математическое обеспечение для проектирования изделий ЭВМ непрерывно совершенствуется.

Программное обеспечение САПР — важнейший компонент САПР. Под программным обеспечением САПР понимается обычно совокупность машинных программ необходимых для выполнения автоматизированного проектирования и представления в заданной форме. Программные средства САПР можно подразделить на системные, обеспечивающие ввод, вывод и определение информации в процессе функционирования САПР, н проблемные (прикладные), обеспечивающие ориентирование САПР на конкретные задачи проектирования.

Для подготовки и использования программных средств необходимо лингвистическое обеспечение.

Лингвистическое обеспечение САПР — это совокупность языков проектирования, включая термины и определения, правила формализации естественного языка и методы сжатия и развертывания текстов, необходимых для автоматизации проектирования.

Языки проектирования подразделяют обычно на: входные проблемно-ориентированные для ввода первичного описания проектируемой конструкции в ЭВМ и общения конструктора с ЭВМ; базовые языки для реализации процедур проектирования; выходные для вывода из ЭВМ документации в заданной форме.

Комплексный характер проектирования ЭВМ подразумевает интеграцию всех этапов конструкторского синтеза, под 'которой понимается их четкая информационная связь. Результаты предыдущих этапов должны передаваться достоверно в виде исходных данных для последующих этапов. Передачу данных от этапа к этапу, от программы к программе берет на себя информационное обеспечение САПР.

Под информационным обеспечением САПР понимают совокупность сведений, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования в заданной форме. Для организации, подготовки, хранения, поиска, обработки и выдачи необходимой информации в САПР используются специальные средства — банки данных. Основу банка составляют базы данных и система управления базой данных, причем база данных, как правило, содержит неизбыточную совокупность данных, составляющую информационное обеспечение какой-либо проблемы (задачи).

Методическое обеспечение САПР — комплект документов, устанавливающих состав и правила отбора и эксплуатации средств обеспечения проектирования. Как правило, оно включает методические материалы по САПР, позволяющие проводить единую техническую политику по автоматизации проектирования на межотраслевом, отраслевом уровнях, уровне предприятия и т. д.

И, наконец, организационное обеспечение САПР составляет комплект документов, устанавливающих состав проектной организации и ее подразделений, связи между ними, их функции, а также форму представления результата проектирования и порядок рассмотрения проектных документов.

Даже беглый анализ всех видов обеспечений САПР указывает на необходимость наличия цельных системных знаний у инженера — разработчика изделий ЭВМ.

Кроме того, в настоящее время происходит непрерывное совершенствование теории и практики автоматизации конструирования. Поэтому разработчик ЭВМ будущих поколений должен обладать знаниями не только в области технических средств ЭВМ, но и программирования, теории алгоритмов, графов, множеств, быть способным эксплуатировать и разрабатывать перспективные САПР.

("30") Для проектирования устройства использовалась программа P-CAD 2001 - средство для профессионалов PCB, позволяющее создавать электронные проекты как индивидуально, так и совместно. Система P-CAD 2001 выполняет полный цикл проектирования печатных плат, а именно:

- графический ввод электрических схем,

- моделирование смешанных аналого-цифровых устройств,

- упаковку схемы на печатную плату,

- интерактивное размещение компонентов,

- ручную, интерактивную и/или автоматическую трассировку проводников,

- контроль ошибок в схеме и печатной плате и выпуск документации,

- анализ целостности сигналов.

Для трассировки использовалась программа SPECCTRA. Программа SPECCTRA 8.х успешно размещает компоненты в автоматическом режиме и трассирует платы большой сложности благодаря применению нового принципа представления графических данных, так называемой ShapeBased-технологии. В отличие от известных ранее пакетов, в которых графические объекты представлены в виде набора координат точек, в этой программе используются более компактные способы их математического описания. За счет этого повышается эффективность трассировки печатных плат с высокой плотностью расположения компонентов, обеспечивается автоматическая трассировка одной и той же цепи трассами разной ширины и др.

CAD системы

Общие сведения о системах проектирования.

В последние несколько лет заметна тенденция резкого сокращения сроков проектирования новых изделий и одновременно возрастание требованиям к их качественным характеристикам. Важно отметить, что создание любого электронного устройства включает в себя следующие этапы :

Формирование технического задания на разработку, определение структуры и алгоритмов функционирования системы. Разработка принципиальной электрической схемы и перечня элементов. Моделирование или макетирование отдельных узлов или всего устройства в целом. Разработка конструкции ПП и выпуск комплекта конструкторской и технологической документации. Подготовка к производству и изготовление ПП. Сборка, настройка и регулировка изделия.

Данные системы позволяют реализовать следующие технические возможности:

создание символов элементов принципиальной электрической схемы и их физических образов - корпусов; ("31") графический ввод принципиальной электрической схемы и конструктивов плат проектируемого устройства; одно - и двухстороннее размещение разногабаритных элементов с планарными и штыревыми выводами на поле ПП с печатными и навесными шинами питания в интерактивном и автоматическом режимах; ручную и автоматическую трассировку печатных проводников произвольной ширины в интерактивном режиме ( число слоев 1…32); автоматизированный контроль результатов проектирования ПП на соответствие принципиальной электрической схеме и конструкторско - технологическим ограничениям; автоматическую коррекцию принципиальной электрической схемы по результатам размещения элементов на ПП; полуавтоматическую корректировку разработанной ПП по изменениям, дополнительно внесенным в принципиальную электрическую схему; выпуск чертежей принципиальных электрических схем, управляющих файлов для изготовления фотошаблонов и сверления отверстий с помощью станков с ЧПУ и текстовой документации на проектируемую ПП ( деталировочные и сборочные чертежи выпускать с помощью системы P-CAD неудобно).

Системы также позволяют вести обмен данными с другими пакетами САПР (система автоматизированного проектирования).

Системы поддерживает широкий набор цветных графических дисплеев, принтеров, плоттеров и фотоплоттеров, цифровых планшетов различных типов.

Заключение

В ходе курсового проекта было выявлено, что оптимальной технологией изготовления печатной платы проектируемого устройства является комбинированный позитивный метод с использованием фольгированного диэлектрика. Способ получения проводящего рисунка – сеткографический. Для изготовления ИМС выбрана КМОП технология, так как у микросхем данной технологии 1) низкая потребляемая мощность; 2)высокая нагрузочная способность; 3) широкий диапазон пропускания питания; 4) напряжение лог. 0 и лог.1 согласуются и равны Uпит микросхемы.

В ходе разработки и проектирования изделия была достигнута его технологичность.

Список литературы

«Конструирование электронных вычислительных машин и систем», , издательство «Высшая школа», 1986 год. «Импульсные и цифровые устройства», , издательство «Высшая школа», 2003 год. «Методические рекомендации по оформлению курсовых и дипломных проектов», , Ленинград, 1987 год. «Надежность радиоэлектронной аппаратуры», , Ленинград, 1985 год. Электронный справочник по ИМС. Курс лекций по предмету «КПЭ», . ("32") «Методические указания к выполнению курсового проекта по предмету «Электронные цифровые вычислительные машины и микропроцессоры»», , Ленинград, 1990 год. «Справочник по интегральным микросхемам», , Москва 1981год.

preview_end()