Разработка конструкторской документации на устройство платы управления

В качестве защитной маски используются сухие или жидкие защитные маски импортного производства. В технических требованиях чертежа печатной платы необходимость формирования защитной маски оговаривается записью:

"Нанесение защитной маски производить по ТИ-704 с (1 или 2-х) сторон" (для сухих защитных масок) или "Нанесение защитной маски производить по ТИ-1071 с (1 или 2-х) сторон" (для жидких масок).

Сухая пленочная паяльная маска Dynamask КM MORTON поставляется толщиной 75 мкм (3 mil) и 100 мкм (4 mil). Маску толщиной 3 mil использовать для ПП с толщиной фольги 18, 35 мкм. Для печатных плат с толщиной фольги 50 мкм и выше использовать защитную маску толщиной 4 mil. Для печатных проводников высотой более 100 мкм полное перекрытие печатных проводников защитной маской не гарантируется.

Защитная маска должна покрывать всю поверхность печатной платы, кроме:

Одиночных контактных площадок и групп контактных площадок под монтаж ЭРИ;

Монтажных отверстий;

Зоны концевых печатных контактов (ламелей);

Разрядок не менее 0,25 мм по контуру плат, обрабатываемых на штампе;

Разрядок не менее 0,25 мм по контуру платы, когда шина (экран) совпадает с контуром платы;

Разрядок не менее 0,5 мм по торцу плат с металлизацией по торцу;

Участков платы, предназначенных для установки на клеи (мастики) тяжеловесных элементов.

В технически обоснованных случаях допускается отсутствие маски на других поверхностях.

Для предотвращения наложения защитной маски на контактные площадки размеры окон в защитной маске должны быть увеличены от размера контактной площадки:

На 0,05 мм на каждую сторону для плат с расстоянием между ЭПМ до 0,2 мм включительно;

На 0,1 мм на каждую сторону для плат с расстоянием между ЭПМ более 0,2 мм.

Размеры окон могут быть изменены по требованию технолога по результатам изготовления платы.

При невозможности выполнения данного требования в чертеже должна быть запись: "Допускается наложение защитной маски на контактные площадки".

Окна в защитной маске для групп контактных площадок, имеющих расстояние между элементами печатного монтажа менее 0,35 мм, рекомендуется объединять в одно сплошное окно, этот способ может успешно применяться, когда игнорируются первые два.

Рекомендуемый размер площадки под переходное отверстие при 4-5-м классе точности платы должен быть равен диаметру отверстия плюс 0,4-0,5 мм.

Размер переходных отверстий должен выбираться в зависимости от толщины платы и рекомендованного производителем отношения толщины платы и минимального диаметра металлизированного отверстия.

Переходные отверстия диаметром 0,6 мм и менее (для сухих пленочных масок) и диаметром 0,4 мм и менее (для жидких масок) должны быть закрыты маской с двух сторон.

При невозможности выполнения данного требования в технических требованиях чертежа должна быть надпись:

Платы или панели, которые должны подвергаться автоматическому монтажу, имеют некоторые особенности.

Обычно на краях панели (платы) оставляют свободную с двух сторон от компонентов полоску шириной от 3,8 (150 mil) до 10 мм (400 mil). В каждом случае ширина полоски зависит от требований конкретного производителя (рекомендуется 10 мм).

При групповой пайке SMD-компонентов необходимо визуально проверить платы на отсутствие обрывов и перемычек. Контроль должен быть проведен максимально тщательно, это сэкономит множество усилий по выявлению ошибок на следующих стадиях. Перед пайкой необходимо промыть заготовки печатных плат для устранения следов загрязнений, обезжиривания и активизации поверхности. Промывать можно спиртом или смесью, затем нанести на площадки предварительно подготовленную для обеспечения необходимой вязкости припойную пасту. Нанесение возможно при помощи диспенсера (дозатора) или трафаретным способом. Далее производится установка компонентов в соответствии с представленной документацией.

Необходимо соблюдать температурный профиль пайки. Существует стандартный температурный режим, подходящий для большинства компонентов и паяльных паст, и отдельные его участки важны для обеспечения конечного качества.

Размещение навесных элементов на печатной плате осуществляют соответствии с ОСТ 4. ГО. 010.030 и ОСТ 4. ГО. 010.009.

Размещение навесных элементов при конструировании печатных плат под автоматическую установку элементов производят в соответствии с ОСТ 4.091.124-79.

Размещение навесных элементов на плате следует согласовывать с конструктивными требованиями на печатный узел, блок и устройство в целом.

При расположении навесных элементов необходимо предусматривать:

Обеспечение основных технических требований, предъявляемых к аппаратуре (автоматизированную сборку, пайку, контроль);

Обеспечение наиболее простой трассировки;

Исключение взаимного влияния на электрические параметры;

Обеспечение технологических требований, предъявляемых к аппаратуре (автоматическую сборку, пайку, контроль);

Обеспечение высокой надежности, малых габаритных размеров и массы, быстродействия, теплоотвода, ремонтопригодности.

Выбор варианта установки элементов на плату производят в соответствии с заданными условиями эксплуатации и другими техническими требованиями к конструкции печатного узла и (или) аппаратуры.

На расположение элементов печатного монтажа действует ряд ограничений, связанных с технологическими особенностями производства и обеспечением необходимых электрических параметров схемы электрической принципиальной. В соответствии с вышесказанным студент выполняет конструктивно-технологические расчеты по постоянному (для цепей «питания» и «земли») и переменному (для сигнальных цепей) току, на основе которых проектируется печатный монтаж, удовлетворяющий требованиям производства, мощности, электрической прочности, помехоустойчивости.

Конструктивно-технологический расчет печатных плат производится с учетом производственных погрешностей рисунка проводящих элементов, фотошаблонов, базирования, сверления, экспонирования и т. д. по ОСТ 4.010.019-51 и ГОСТ 23751-79.

Взаимное расположение монтажных отверстий под выводы навесных элементов должно соответствовать ОСТ 4Г0.010.030; ОСТ 4.091.124-79; ОСТ 4.070.010-78.

При этом установку элементов следует производить в соответствии с ОСТ 4.ГО 010.030 или ОСТ 9289-80, а формовку - по ОСТ 9288-80.

В большинстве случаев следует стремиться к обеспечению минимальной высоты монтажа. Массивные и крупные компоненты (электролитические конденсаторы, трансформаторы и т. д.) монтируют вплотную к плате для увеличения стойкости к ударам и вибрации. Компоненты в DIP-корпусах необходимо монтировать как можно ближе к плате, чтобы их выводы были как можно короче для обеспечения минимального теплового сопротивления.

Компоненты с аксиальными выводами монтируются, как правило, вертикально для лучшего воздушного охлаждения.

ГОСТ 29137-91 оговаривает минимальное расстояние до места гибки, если оно не указано в ТУ на элемент.

Компоненты с выводами в одну сторону - керамические и пленочные конденсаторы, резонаторы, варисторы, полупроводниковые предохранители - монтируются из условия обеспечения минимального зазора (примерно 1 мм) между корпусом компонента и платой и отсутствия механических напряжений выводов.

Кварцы в низких корпусах следует устанавливать с минимальным зазором к печатной плате. Если под кварцем нет переходных отверстий и токопроводящих проводников, то рекомендуется установка вплотную к плате. Кварцы в высоких корпусах Н49 и часовые кварцы следует укладывать на печатную плату в свободную сторону или на земляной проводник. По возможности корпус кварца следует фиксировать каплей припоя к земляному проводнику.

Следует обратить внимание на электроизоляцию отверстий механического монтажа. В слое металлизации нужно избегать «внутренних» острых углов. Проводящие дорожки должны быть не ближе 0,5 мм от края платы.

С точки зрения монтажа не существует максимального рекомендуемого расстояния между компонентами - чем больше, тем лучше, в пределах разумного конечно.

Однако некоторые проекты требуют как можно более плотного размещения компонентов на плате.

Расстояние между компонентом и краем платы должно быть не менее 1,25 мм (50 mil).

При проектировании плат следует учитывать предпочтительное расположение компонентов.

Все пассивные компоненты должны быть расположены параллельно друг другу, все компоненты в корпусах SOIC должны размещаться перпендикулярно длинной оси пассивных компонентов, при этом длинная ось SOIC должна быть параллельна направлению движения платы при пайке «волной».

Компоненты одного типа предпочтительно размещать в одном направлении и по возможности группировать их вместе.

Для проектов, использующих традиционные компоненты, рекомендуется сетка размещения 2,5 мм (100 mil), для более плотного размещения при использовании SMT-разработок сетку размещения можно уменьшить до 0,63 мм (25 mil).

Разработчики должны стараться разместить все компоненты на одной стороне (primary side) платы.

В противном случае это повлечет за собой удорожание платы.



10. Выбор и обоснование конструкции блока

Проектирование размеров ПП соответствуют МЭК 297, а также ввиду использования изделия на локомотивных системах, необходимо выбрать блок отвечающий стандартных размерам 3U и имеющий крепления для монтажа в локомотив.

Предприятие, на котором будет изготавливаться изделие, сотрудничает с мировым поставщиком корпусов и блоков компанией Schroff. Блоки данной компании соответствуют международным стандартам монтажа электронного оборудования. Для контроля используются нормы IEC монтажа электронного оборудования, которые ввиду глобализации охватывают спецификации габаритов (IEC60297-1,2; IEC60297-3-101,102,103; IEC61969-2-1,2; IEC60917-2-Х), критерии физической целостности (IEC61587-1; IEC61969-3), электромагнитной совместимости (IEC61587-3), управления температурой (IEC62194, ed.1).

Для монтажа в локомотив подойдет 19 дюймовый (19”) субблок, отвечающий IEC60297-3-101.

19” система размеров:

Ширина без фланцев не должна превышать 449 мм. Монтажная поверхность каркаса размечена с шагом 1НР = 5,08 мм.

Высота субблока определяется как кратное число единиц измерения высоты (U), 1U = 44,45 мм.

Глубина зависит от глубины платы, заднего штекерного соединения или вставного модуля вход/выход, поэтому нет четких рекомендаций для выбора размеров субблоков по глубине.

Паз - это кратное горизонтального расстояния. Изменяется в зависимости от задачи. Подробнее о размерах субблоков в приложении 3.

Используем блок БЦВ-КХ ЭЦВИЯ.468369.001. Размеры 180х208х275 мм. Материалы: Алюминий



Габаритные размеры:

Рисунок 2 - Вид спереди блока БЦВ-КХ

Рисунок 3 - Вид сзади блока БЦВ-КХ



Рисунок 4 - Вид сверху блока БЦВ-КХ

Рисунок 5 - Расположение ячеек в блоке. Основной вид



Рисунок 6 - Расположение ячеек в блоке. Вид сверху



11. Расчет надежности

Таблица 6 - Интенсивность отказов по типам элементов

Наименование	Количество, шт	Интенсивность отказа, Л*10-6, 1/ч.
SG8002	2	0,5178
TAJB	2	0,184
0805	19	0,9994
HCPL-061A	8	4,448
PCA82C250T	2	0,0435
ADM705AR	2	0,0432
AT89C51RD2	2	0,1377
74HCT00D	3	0,0402
74HCT240D	1	0,0583
MCR10	22	0,775
MCR18	5	0,065
MOCD217-M	1	0,927
SM6T6V8A	2	0,088
BZX84-C10	2	0,056
BC817-16	2	0,003
ЦВИЯ 436431.021	2	3
09664566610	1	0,2916
09031646921	1	0,8747
09185106324	2	0,2972
Пайка	285	0,0013
Плата	1	0,000017

Интенсивность отказа системы

Расчетное время наработки на отказ получилось больше заданного в ТЗ.

Вероятность безотказной работы для заданного времени должна быть больше 0,97, тогда

Надежность удовлетворяет требованиям ТЗ.



12. Расчет на действие вибрации

печатный плата фольгированный диэлектрик

В процессе эксплуатации ПП в составе ячейки и блока подвергаются механическим воздействиям, к которым относятся вибрации, удары и линейные перегрузки.

Под вибрацией понимают механические колебания элементов конструкции или конструкции в целом. Вибрация характеризуется вибросмещением, виброскоростью и виброускорением.

Вибропрочность - способность конструкции выполнять функции и сохранять значения параметров в заданных пределах после воздействия вибраций.

Виброустойчивость - способность конструкции выполнять функции и сохранять значения параметров в заданных пределах во время воздействия вибраций.

Условия обеспечения вибропрочности ячейки являются:

Отсутствие в конструкции ячейки механических резонансов;

Ограничение амплитуды вибросмещения и виброскорости значениями, исключающими опасные напряжения и усталостные явления в ЭРИ и ПП;

Допустимые значения виброперегрузок в диапазоне частот внешних воздействий должны превышать величины, определенные ТЗ на разработку конструкции ЭА;

Таким образом, оценка вибропрочности ячейки выполнятеся по следующим показателям:

Частоте свободных колебаний;

Допустимому значению напряжения в материале ЭРИ и ПП и предельному числу циклов нагружения;

Допустимому значению виброперегрузки;

Определение частоты собственных колебаний

Боковые стороны ПП расположены в направляющих, считаем их опертыми. На третьей стороне ПП расположена вилка разъема, на четвертой - панель, будем считать, что эти края ПП жестко защемлены, тогда Ка = 62,372 - коэффициент, зависящий от способа закрепления сторон ячейки;

Полная масса ячейки = 0,15 кг.

Где а = 160 мм - длина ячейки;

b = 100 мм - ширина ячейки;

D - цилиндрическая жесткость:

Где Е = 3,02*1010 Н/м2 - модуль упругости для материала платы;

h= 1,5 мм - толщина платы;

v = 0,22 - коэффициента Пуассона;

М - полная масса ячейки с ЭРИ, кг;

Определение амплитуды вибросмещения

Собственная частота ячейки значительно превышает частоты, действующие на конструкцию, никаких дополнительных мер для стабилизации частоты не понадобиться. Амплитуда вибросмещения меньше требуемой в два раза, также не требуется дополнительных мер по усилению жесткости.



13. Расчет теплового режима

Одним из важнейших факторов, определяющих эксплуатационную надежность ЭА, является тепловой режим, обеспечение которого связано с выбором таких конструкции блока, ячейки и ПП, которые бы не препятствовали, а способствовали рассеиванию теплоты в окружающую среду.

Для ЭА наиболее жестким является стационарный тепловой режим, при котором температура и перегрев имеют максимальные значения.

Суммарная выделяемая мощность от всех элементов равна

Площадь поверхности ПП

Плотность теплового потока

Таким образом, в данной конструкции можно использовать естественное воздушное охлаждение, которое успешно работает при плотности теплового потока q до 0.02 Вт/см2 при полностью герметичном корпусе.

Расчет помехоустойчивости

Назначение проверочного расчета помехоустойчивости печатных плат (ячеек) заключается в определении допустимых длин проводников в зависимости от учета одновременного действия емкостной и индуктивной паразитной связи между параллельно расположенными соседними проводниками, для самой быстродействующей микросхемы, которой является AT91SAM7A3-AU, тогда

Таким образом, максимальная длина параллельно расположенных сигнальных проводников составляет 23,04 см, учитывая это значение при трассировке, получаем максимальную длину 2,3 см, что удовлетворяет расчетам.



14. Оценка технологичности конструкции

Методика отработки конструкций на технологичность для определения базовых показателей, которые могут быть частными и комплексными, предполагает использование статистических данных о ранее созданных конструкциях. Они имеют общие конструктивно-технологические признаки с разрабатываемой конструкцией, а также использование аналогов или типовых представителей. Показатели технологичности разделяются на конструкторские и технологические.

Конструкторские показатели:

Коэффициент использования микросхем.

Коэффициент повторяемости ЭРЭ.

Технологические показатели.

Коэффициент автоматизации производства:

Коэффициент автоматизации подготовки ЭРЭ к монтажу:

Коэффициент автоматизации настройки ЭРЭ:

Коэффициент установочных размеров ЭРЭ:

Оценка качества конструкции

Особого внимания при оценке качества конструирования ЭВА заслуживает показатель миниатюризации. Следует отметить, что показатель плотности упаковки (как отношение количества элементов к объему изделия) слабо характеризует качество конструктивной проработки устройства и определяется в основном степенью интеграции использованных покупных элементов (ИМС, резисторов, конденсаторов и т.п.).

Показатели степени упаковки:

Отношение объема всех ЭРЭ (страница 8) к полезному объему Vп , в котором реализуются функции изделия, т.е. коэффициент дезинтеграции:

Тогда коэффициент заполнения объема устройства для конструктивного уровня:



Итоги проектирования

Основные технические характеристики и параметры:

Электропитание микросхем осуществляется от источников постоянного тока с напряжением 5В через преобразователи напряжения.

Удовлетворено.

Ток потребления не более 500 мА. Требование по ТЗ - 750мА. Удовлетворено.

Основные требования к надежности:

Среднее время безотказной работы часов. Требования по ТЗ - 240 часов.

Удовлетворено.

Ориентировочные требования к условиям эксплуатации:

Все компоненты и материалы выдерживают диапазон -40°С до +65 °С. Требования по ТЗ - Работа в интервале температур от -5 °С до +50 °С. Удовлетворено.

Собственная частота вибрации 377 Гц. Требования по ТЗ - воздействие вибрации до 100..200Гц.

Удовлетворено.

Амплитуда вибросмещения 0,01241 мм. Требования по ТЗ - меньше 0,025 мм. Удовлетворено.

Ориентировочные требования к габаритам и массе:

Масса 0,15кг. Требование по ТЗ - не более 0,5кг

Удовлетворено.

Требования к производству, технологичности, топологии, эксплуатации, ремонтопригодности удовлетворены.



Список литературы

1. И.Б. Максимова Методическое указание к выполнению курсовой работы по дисциплине «Конструкторское и технологическое обеспечение производства ЭВМ» - Ижевск, ИжГТУ, 2008.

2. Пирогова Е.В. “Проектирование и технология печатных плат” Учебник. - М, 2005. - 560 с.

3. Л.Н. Кечиев "Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры" Москва, 2007 г.

4. Конструкторско-технологическое производство радиоэлектронной аппаратуры. Учебник для вузов. Под общ. ред. В.А. Шахнова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002 г. - 528 с.

5. Григорьян С.Г. Конструирование электронных устройств систем автоматизации и вычислительной техники. Ростов на Дону: Изд-во Феникс, 2007.

6. Лекции по дисциплине «Конструкторское и технологическое обеспечение производства ЭВМ».

Размещено на Allbest.ru

...