Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

1. Введение

1.1 Цель работы

1.2 Тестирование аппаратного обеспечения персонального компьютера

2. Специальная часть

2.1 Анализ схемы электрической принципиальной

2.2 Выбор элементной базы

2.3 Обоснование выбора элементной базы

2.4 Характеристики элементной базы

3. Конструкторско-технологическая часть

3.1 Конструкторско-технологические требования

3.2 Обоснование конструкции устройства

3.2.1 Обоснование исполнения печатного узла

3.2.2 Конструкция корпуса

3.3 Выбор материалов для изготовления печатного узла и способ изготовления платы

3.3.1 Выбор класса точности

3.3.2 Выбор метода нанесения рисунка

3.3.3 Выбор метода изготовления

3.3.4 Выбор материала основания

3.3.5 Подготовка поверхности печатной платы

3.3.6 Получение монтажных и переходных отверстий

3.3.7 Металлизация печатной платы

3.4 Межсоединения

3.4.1 Технологический процесс пайки

3.4.2 Флюс

3.4.3 Припой

3.4.4 Защитное покрытие

3.5 Установка элементов

3.6 Расчет параметров печатных проводников

3.6.1 Расчет диаметра монтажных отверстий и контактных площадок

3.6.2 Расчет ширины проводников

3.6.3 Расчет расстояния между двумя проводниками

3.7 Расчет электрических параметров

3.7.1 Емкость в печатном монтаже

3.7.2 Расчет индуктивности печатных проводников

3.7.3 Взаимная индуктивность печатных проводников

3.8 Тепловое моделирование блока устройства

4. Охрана труда

4.1 Эргономика работы за персональным компьютером

4.1.1 Общие положения

4.1.2 Выбор помещения

4.1.3 Выбор и установка стола

4.1.4 Выбор и установка кресла (стула)

4.1.5 Выбор и установка монитора и правила работы с ним

4.1.6 Выбор мыши

4.1.7 Выбор клавиатуры

4.2 Эргономические требования

5. Экологическая часть

5.1 Утилизация компьютеров и оргтехники

5.2 Процесс переработки

5.3 Учет драгметаллов в изделиях

6. Экономическая часть

6.1 Расчет себестоимости продукции

6.2 Обзор рынка аналогов

7. Заключение

8. Список литературы

монитор компьютер плата контактный



Перечень сокращений

ABS-пластик - Acrylonitrile Butadiene Styrene (акрилонитрилбутадиенстирол);

BIOS - Basic Input/Output System (базовая система ввода-вывода);

CMOS - КМОП (комплементарный металлооксидный полупроводник;

COM - Communications port (последовательный порт);

CPU - Central processing Unit (центральное обрабатывающее устройство);

LPT - Line Print Terminal (параллельный порт);

NAND gate - Not And gate (логический элемент И НЕ);

NOR gate - Not Or gate (логический элемент ИЛИ НЕ);

PCI - Peripheral component interconnect (взаимосвязь периферийных компонентов);

POST - Power-On Self-Test (самотестирование после включения);

USB - Universal Serial Bus (универсальная последовательная шина);

МТП - моделирование теплового процесса;

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство;

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;

ПК - персональный компьютер;

ПЛИС - программируемая логическая интегральная схема;

ПП - печатная плата;

ПУ - печатный учел;

РЭА - радиоэлектронная аппаратура;

РЭС - радиоэлектронное средство;

ТЗ - техническое задание;

ТС - техническое средство;

ТУ - технические условия;

ЭЛТ - электролучевая трубка;

ЭРЭ - электрорадиоэлемент.

1. Введение

Большинство компьютерных систем могут исполнять только команды, находящиеся в оперативной памяти компьютера, в то время как современные операционные системы в большинстве случаев хранятся на жестких дисках, загрузчиках на CD\DVD-ROM, USB-носителях, а так же в локальных сетях.

После включения компьютера в его оперативной памяти нет операционной системы. Само по себе, без операционной системы, аппаратное обеспечение компьютера не может выполнять сложные действия, такие как, например, загрузку программы в память. Таким образом мы сталкиваемся с парадоксом, который кажется неразрешимым: для того, чтобы загрузить операционную систему в память, мы уже должны иметь операционную систему в памяти.

Решением данного парадокса является использование специальной компьютерной программы, называемой начальным загрузчиком, или BIOS (от англ. Basic Input/Output System). Эта программа не обладает всей функциональностью операционной системы, но её достаточно для того, чтобы загрузить другую программу, которая будет загружать операционную систему. Часто используется многоуровневая загрузка, в которой несколько небольших программ вызывают друг друга до тех пор, пока одна из них не загрузит операционную систему.

В современных компьютерах процесс начальной загрузки начинается с выполнения центральным процессором команд, расположенных в постоянной памяти, начиная с предопределённого адреса (процессор делает это после перезагрузки, без какой бы то ни было помощи). Данное программное обеспечение может обнаруживать устройства, подходящие для загрузки, и загружать со специального раздела выбранного устройства (чаще всего загрузочного сектора данного устройства) загрузчик операционной системы.

После включения персонального компьютера его процессор начинает работу. Первая выполняемая команда расположена по адресу FFFF0h и принадлежит пространству адресов BIOS. Как правило, данная команда просто передает управление программе инициализации BIOS.

Программа инициализации BIOS с помощью программы POST проверяет, что устройства компьютера работают корректно и инициализирует их.

1.1 Цель работы

Целью дипломного проекта является разработка диагностической платы неисправностей персонального компьютера с интерфейсом PCI. Диагностическая плата проверяет информацию о работоспособности комплектующих ПК и предоставляет ее пользователю в удобной и понятной ему форме в виде шестнадцатеричного кода на семисегментном индикаторе. В данном устройстве не применяются ПЛИС, а используются только логические микросхемы, что упрощает его разработку и проектирование. Благодаря этому устройство остается в более низкой ценовой категории, чем его аналоги, что делает его актуальным для производства.

1.2 Тестирование аппаратного обеспечения персонального компьютера

POST (от англ. Power-On Self-Test) -- самотестирование после включения. Проверка аппаратного обеспечения персонального компьютера, выполняемая при его включении. Выполняется программами, входящими в BIOS материнской платы.

Сокращённый тест включает:

1. Проверку целостности программ BIOS в ПЗУ, используя контрольную сумму.

2. Обнаружение и инициализацию основных контроллеров, системных шин и подключенных устройств (графического адаптера, контроллеров дисководов и т. п.), а также выполнение программ, входящих в BIOS устройств и обеспечивающих их самоинициализацию.

3. Определение размера оперативной памяти (ОЗУ) и тестирования первого сегмента (64 килобайт).

Полный регламент работы POST представляет собой:

1. Проверка регистров центрального процессора;

2. Проверка контрольной суммы ПЗУ;

3. Проверка системного таймера и порта звуковой сигнализации (для IBM PC - ИМС i8255 или аналог);

4. Тест контроллера прямого доступа к памяти;

5. Тест регенератора оперативной памяти;

6. Тест нижней области ОЗУ для проецирования резидентных программ в BIOS;

7. Загрузка резидентных программ;

8. Тест стандартного графического адаптера (VGA);

9. Тест оперативной памяти;

10. Тест основных устройств ввода;

11. Тест CMOS

12. Тест основных портов LPT/COM;

13. Тест накопителей на гибких магнитных дисках;

14. Тест накопителей на жёстких магнитных дисках;

15. Самодиагностика функциональных подсистем BIOS;

16. Передача управления загрузчику.

Выбор между прохождением полного или сокращенного набора тестов при включении компьютера можно задать в программе настройки базовой системы ввода-вывода, Setup BIOS.

В большинстве персональных компьютеров в случае успешного прохождения POST системный динамик издаёт один короткий звуковой сигнал, в случае сбоя -- различные последовательности звуковых сигналов. Кроме того, BIOS генерирует код текущего состояния загрузки (и, в случае сбоя, соответственно ошибки), который можно узнать при помощи комбинации светодиодов или семисегментных индикаторов (на некоторых материнских платах), а также на POST-Card -- плате, которая вставляется в слот расширения на материнской плате и отображает код ошибки на своем индикаторе.

Сопоставить конкретный звуковой код или код POST с причиной сбоя во время загрузки компьютера можно по документации производителя BIOS материнской платы.

Для каждого производителя существует своя таблица звуковых сигналов, соответствующих определенной ошибке:

IBM BIOS

Таблица 1.1

IBM BIOS

Последовательность звуковых сигналов	Описание ошибки
1 короткий	Успешный POST
1 сигнал и пустой экран	Неисправна видеосистема
2 коротких	Не подключен монитор
3 длинных	Неисправна материнская плата (ошибка контроллера клавиатуры)
1 длинный, 1 короткий	Неисправна материнская плата
1 длинный, 2 коротких	Неисправна видеосистема (Mono/CGA)
1 длинный, 3 коротких	Неисправна видеосистема (EGA/VGA)
Повторяющийся короткий	Неисправности связаны с блоком питания или материнской платой
Непрерывный	Проблемы с блоком питания или материнской платой
Отсутствует	Неисправны блок питания, материнская плата или динамик

Award BIOS



Таблица 1.2

Award BIOS

Последовательность звуковых сигналов	Описание ошибки
1 короткий	Успешный POST
2 коротких	Обнаружены незначительные ошибки. На экране монитора появляется предложение войти в программу CMOS Setup Utility и исправить ситуацию. Проверьте надежность крепления шлейфов в разъемах жесткого диска и материнской платы.
3 длинных	Ошибка контроллера клавиатуры
1 короткий, 1 длинный	Ошибка оперативной памяти (RAM)
1 длинный, 2 коротких	Ошибка видеокарты
1 длинный, 3 коротких	Ошибка видеопамяти
1 длинный, 9 коротких	Ошибка чтения или ПЗУ
Повторяющийся короткий	Проблемы с блоком питания. Проблемы с ОЗУ.
Повторяющийся длинный	Проблемы с ОЗУ
Повторяющаяся высокая-низкая частота	Проблемы в CPU
Непрерывный	Проблемы с блоком питания

AMI BIOS

Таблица 1.3

AMI BIOS

Последовательность звуковых сигналов	Описание ошибки
1 короткий	Ошибок не обнаружено, ПК исправен
2 коротких	Ошибка в четности RAM или Вы забыли выключить сканер или принтер
3 коротких	Ошибка в первых 64Кб RAM
4 коротких	Неисправность системного таймера
5 коротких	Проблемы с процессором
6 коротких	Ошибка инициализации контроллера клавиатуры
7 коротких	Проблемы с материнской платой
8 коротких	Ошибка памяти видеокарты
9 коротких	Контрольная сумма BIOS неверна
10 коротких	Ошибка записи в CMOS
11 коротких	Ошибка КЭШа, расположенного на системной плате
1 длинный, 1 короткий	Проблема с блоком питания
1 длинный, 2 коротких	Ошибка видеокарты (Mono-CGA)
1 длинный, 3 коротких	Ошибка видеокарты (EGA-VGA)
1 длинный, 4 коротких	Отсутствует видеокарта
1 длинный, 8 коротких	Проблемы с видеокартой или не подключен монитор
3 длинных	Оперативная память - тест чтения/записи завершен с ошибкой. Переустановите память иди замените исправным модулем.
Отсутствует и пустой экран	Неисправен процессор. Возможно изогнута (сломана) контактная ножка процессора. Проверьте процессор.
Непрерывный звуковой сигнал	Неисправность блока питания, либо перегрев компьютера.

DELL BIOS

Таблица 1.4

DELL BIOS

Последовательность звуковых сигналов	Описание ошибки
1-2	Не подключена видеокарта
1-2-2-3	Ошибка контрольной суммы ПЗУ BIOS
1-3-1-1	Ошибка обновления DRAM
1-3-1-3	Ошибка клавиатуры
1-3-3-1	Неисправна память
1-3-4-1	Ошибка ОЗУ на линии ххх
1-3-4-3	Ошибка ОЗУ на младшем бите ххх
1-4-1-1	Ошибка ОЗУ на старшем бите ххх

Диагностическая плата неисправностей компонентов персонального компьютера (POST-Card или POST-плата) -- плата расширения, имеющая собственный цифровой индикатор и выводящая на него коды инициализации материнской платы. По последнему выведенному коду можно определить, в каком из компонентов имеется неисправность. Данные коды зависят от производителя BIOS материнской платы. В случае отсутствия ошибок и нормального прохождения теста POST выдаёт на свой индикатор не меняющееся на протяжении работы компьютера значение, зависящее от версии BIOS, например, на большинстве плат по окончании инициализации выдаётся код FF.

Полноценные профессиональные диагностические платы для шины PCI относительно дороги, сложны, используют в качестве элементной базы ПЛИС. Однако в большинстве случаев вполне достаточно только отображать на индикаторах POST-коды, а для этого нет никакой необходимости использовать все возможности шины PCI.

Рисунок 1 Временные диаграммы

На Рис.1 приведены временные диаграммы сигналов шины PCI при простых операциях чтения-записи. Обычно значения адресов, команд и данных PCI-устройство фиксирует по нарастающим перепадам сигнала CLK. Перепад сигнала CLK означает начало очередного такта шины. Но если в устройстве, установленном в PCI-слот, не предусмотрено средств выполнения процедуры автоконфигурирования, контроллер шины его «не видит» и отключает от этого слота многие синхронизирующие и управляющие сигналы, в том числе CLK.

При этом сопровождающий информацию об адресах и данных сигнал FRAME# остается включенным. Именно на его использовании основана работа устройства, схема которого изображена на Рис.2.

2. Специальная часть

2.1 Анализ схемы электрической принципиальной

Технические характеристики:

§ Напряжение питания +5 В

§ Ток потребления, не более 100 мА

§ Частота шины PCI - 33 МГц

§ Адрес диагностического порта - 0080h

§ Размер печатной платы -115 х 77.62 мм

Три соединенных последовательно элемента микросхемы DD1 инвертируют сигнал FRAME# и задерживают его на некоторое время. По нарастающему перепаду импульса на выходе элемента DD1.3 происходит фиксация адреса в регистрах DD2 и DD3 и кода команды в регистре DD4. На микросхемах DD5 - DD7 собран дешифратор адреса. Высокий уровень на выходе элемента DD6.4 будет установлен только в том случае, если происходит обращение по адресам 0080h и 0081h, а в регистре DD4 зафиксирован код операции 0011 («Запись в пространство ввода-вывода»).

Благодаря задержкам в дешифраторе адреса и в дешифраторе кода команды (DD8) к этому моменту на шину адреса/данных PCI уже выведено значение POST-кода, которое и будет зафиксировано в регистре DD9.

С выходов регистра DD9 принятый POST-код поступает на дешифраторы-индикаторы HG1 и HG2, которые и отображают его двумя шестнадцатеричными цифрами.

Рисунок 2 Схема электрическая принципиальная

2.2 Выбор элементной базы

В таблице 2.1 приведен список всех компонентов системы.

Таблица 2.1

Компоненты системы

Позиция	Характеристика	Наименование	Количество
DD1.1-DD1.3	NAND gate	74HC00D	1
DD2, DD3, DD9		74HC574D	3
DD4		74HC374D	1
DD5, DD6	NOR gate	74HC02D	2
DD7	Лог. И-НЕ	К555ЛА2	1
DD8	Decoder	74HC138D	1
HG1, HG2		HDSP0762	2
C1, C3, C5	0.1 мкФ	К10-17А Н50	3
С2, С4	22 мкф х 10 В	ECAP SMD	2

2.2 Обоснование выбора элементной базы

Микросхема 74HC00D представляет собой 4 логических элемента 2И-НЕ. Изделие выпускается в 14-выводном прямоугольном корпусе SOIC-14. Электрические параметры логических элементов 2И-НЕ зависят от напряжения питания. Микросхема предназначена для работы при напряжении питания от 2В до 6В. Время задержки распространения сигнала составляет 90нс при 2В, 18нс при 4.5В, 15нс при 6В. Диапазон рабочих температур от -40^ОС до +85^ОС. У микросхемы низкое энергопотребление - 20мкА и низкий ток собственного потребления - 1мкА.

Микросхема 74HC574D имеет напряжение питания от 2В до 6В при рабочих температурах от -40^ОС до +125^ОС. Изделие выпускается в 20-выводном корпусе. Время задержки распространения сигнала составляет 14нс. Частота тактового генератора - 133МГц. Микросхема 74HC374D имеет схожие характеристики, за исключение частоты тактового генератора - она составляет 83МГц.

Микросхема 74HC02D представляет собой 4 логических элемента 2ИЛИ-НЕ. Выпускается в 14-выводном корпусе. Напряжение питания от 2В до 6В. Ток собственного потребления - 1мкА.

Микросхема К555ЛА2 представляет собой логический элемент 8И-НЕ. Напряжение питания составляет от 4.75А до 5.25В. Рабочие температуры от 0^ОС до 70^ОС. Производится в корпусе 14-DIP.

Микросхема 74HC138D является дешифратором/демультиплексором с инверсией на выходе. Напряжение питания 2В - 6В. Рабочая температура от -40^ОС до +125^ОС. Микросхема выпускается в корпусе 16-SOIC.

Индикаторы HDSP0762 являются малопотребляющими символьными 4х7 точек интеллектуальными светодиодными индикаторами с HEX-декодером. Высота символа составляет 7.4 мм. Рабочая температура составляет от -55^ОС до +85^ОС. Рабочее напряжение от 4.5В до 5В.

Конденсаторы К10-17 предназначены для работы в цепях постоянного, переменного токов и в импульсных режимах. К10-17А - изолированные керамические конденсаторы во всеклиматическом исполнении. Рабочее напряжение 50В. Рабочая температура от -60^ОС до +125^ОС.

Конденсаторы ECAP SMD - электоролитические чип конденсаторы.

Рабочее напряжение 10В. Рабочая температура от -40^ОС до +85^ОС. Допуск номинальной емкости составляет 20%. Изготавливаются в корпусе SMD.

2.3 Характеристики элементной базы

В таблице 2.2 приведены типономиналы с конструкционными параметрами, которые необходимо знать для выполнения трассировки печатного узла.

Таблица 2.2

Конструкционные параметры

Наименование	Конструкционные параметры	Количество
Микросхемы
74HC00D	LxWxHxd: 9.91х6.6х2х0.2	1
74HC574D	LxWxHxd: 13.7х7.6х2.5х0.2	3
74HC374D	LxWxHxd: 13.7х7.6х2.5х0.2	1
74HC02D	LxWxHxd: 9.9х6.6х2х0.2	2
К555ЛА2	LxWxHxd: 19.9х7.6х5.1х0.36	1
74HC138D	LxWxHxd: 10.9х7.2х2х0.15	1
Индикаторы
HDSP0762	LxWxHxd: 13.5х10.2х2.8х0.5	2
Конденсаторы
К10-17А Н50	DxHxd: 6.8х4.6х0.6	3
ECAP SMD	DxHxd: 8х6.5х0.8	2



3. Конструкторско-технологическая часть

3.1 Конструкторско-технологические требования

– Тип производства - мелкосерийное.

– Климатический факторы внешней среды:

Диагностическая карта предназначена для работы при температурах от +5^ОС до +60^ОС. Относительная влажность до 80% при температуре +25^ОС. В режиме хранения при температуре от -5^ОС до +35^ОС и влажности до 80%.

– Для защиты от внешних воздействий диагностическая плата находится в корпусе;

– Номинальный режим работы - непродолжительный;

– Диагностическая карта, для обеспечения мелкосерийного производства с наименьшими затратами, должна быть реализована на печатной плате. Печатная плата должна соответствовать:

1) ГОСТ Р 50621-93 (МЭК 326-4-80). Платы печатные одно- и двусторонние с неметаллизированными отверстиями. Общие технические требования.

2) ГОСТ Р 50622-93 (МЭК 326-5-80). Платы печатные двусторонние с металлизированными отверстиями. Общие технические требования.

3) ГОСТ 23751-86. Платы печатные. Параметры конструкции.

4) ГОСТ 10317-79. Платы печатные. Основные размеры.

– Диагностическая карта является портативным устройством, работающим в режиме естественной конвекции;

– Средний срок службы - 10 лет.



3.2 Обоснование конструкции устройства

Разработка конструкции устройства, диагностической карты для ПК, происходит на основании анализа схемы электрической принципиальной, а так же на основании требований технического задания. Разработка конструкции устройства включает в себя следующие элементы:

– Выбор и обоснование способов компоновки ЭРЭ;

– Способ монтажа;

– Выбор и обоснование стандартизованных деталей, флюсов, припоев для монтажа;

– Выбор способов защиты от статического электричества, а так же электромагнитная совместимость устройства.

При выборе способа компоновки и монтажа ЭРЭ следует учитывать положение ТЗ о мелкосерийном производстве устройства. Следовательно, при разработке конструкции устройства необходимо учитывать, что оно будет производиться в большом количестве в условиях оснащенного современным оборудованием и технологиями производстве.

Современные предприятия по производству радиоэлектронной аппаратуры имеют технологически линии для осуществления каждой операции на стадии производства РЭА:

– Линии для производства печатных узлов и деталей;

– Линии для нанесения защитных покрытий;

– Линии для изготовления корпусов изделий;

– Сборочные линии;

– Линии контроля качества и испытания РЭА.

3.2.1 Обоснование исполнения печатного узла

Диагностическая карта ПК реализована на двусторонней печатной плате. Печатная плата представляет собой электроизоляционную плату с контактными площадками и отверстиями, для установки электрорадиоэлеменов, а так же соединяющих их, соответственно электрической принципиально схеме, системе проводников и металлизированных отверстий, служащих межслойными соединениями. ЭРЭ расположены с двух сторон печатной платы.

3.2.2 Конструкция корпуса

Печатный узел необходимо установить в корпус.

Корпус должен иметь прямоугольную форму размерами 118х73х18 мм. Корпус состоит из двух частей, соединяющихся между собой четырьмя винтами по углам печатного узла. В верхнем торце находится отверстие размером 75.6х2.5 мм для вывода контактов ПУ для соединения с PCI-разъемом персонального компьютера. На передней стенки должны находиться 2 прямоугольных отверстия размерами 10.2х13.5 мм под LED-индикаторы, расположенные на печатном узле.

Материалом корпуса служит ABS-пластик. Он представляет собой ударопрочную техническую термопластическую смолу на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом. К плюсам данного материала можно отнести повышенную ударопрочность и эластичность, нетоксичность, долговечность, широкий диапазон эксплуатационный температур (от -40^ОС до +90^ОС). Данный вид пластика широко применяется для изготовления корпусов радиоаппаратуры и другой бытовой техники.

3.3 Выбор материалов для изготовления печатного узла и способ изготовления платы

Для изготовления Диагностической карты используется двусторонняя печатная плата (ДПП) с металлизированными отверстиями.

Форма платы - прямоугольная пластина габаритами 115х77.62 мм с вырезанными контактами под интерфейс PCI с габаритами 7.62х12.7 мм и 7.62х60.96 мм.

Исходя из требований ТЗ и в соответствии с ГОСТ Р50621-93, ГОСТ 23751-86 и ГОСТ 10317-79, ОСТ 4.010.022-85 принимаем следующие требования к плате:

– класс точности платы - 3;

– группа жесткости - 3;

– шаг координатной сетки - 1.25мм.

3.3.1 Выбор класса точности

ГОСТ 23751-86 устанавливает пять классов точности печатных плат. Классы точности печатной платы определяется по минимальным предельным отклонениям на размеры и расположение печатных проводников и контактных площадок. В соответствии с предъявляемыми техническими требованиями подходит класс точности 3. В таблице 3.1 приведены параметры данного класса точности:

Таблица 3.1

Класс точности

Условное обозначение элементов печатного монтажа	Значение, мин.
Наименьшая ширина проводника t, мм	0.25
Расстояние между проводниками, между проводниками и контактными площадками S, мм	0.25
Предельное отклонение Дt, мм	±0.10
Минимальное значение гарантийного пояска для класса точности b, мм	0.10
Позиционный допуск расположения проводника относительно соседнего T1, мм	0.05

3.3.2 Выбор метода нанесения рисунка

Существуют три метода нанесения рисунка на печатную плату: сеткографический метод, фотопечать и офсетная печать. Сеткографический метод основании на нанесении специальной краски путем продавливания ее через сетчатый трафарет ракелем. Метод офсетной печати состоит в изготовлении печатной формы, на поверхности которой формируется рисунок слоя, который в свою очередь переносится на поверхность основания печатной платы. Метод фотопечати состоит в контактном копировании рисунка печатного монтажа с фотошаблона на основание, покрытое фоторезистом.

Для данного устройства используется метод фотопечати, так как он соответствует 3 классу точности и имеем самую высокую точность (± 0.05 мм) и плотность монтажа.

3.3.3 Выбор метода изготовления

Существует четыре метода изготовления печатных плат: субтрактивный, аддитивный, полуаддитивный и комбинированный. Субтрактивный метод представляет собой перенос стойкой к травлению пленки с рисунком печатных проводников на фольгированную основу, а затем химическое травление незащищенных пленкой мест. Аддитивный метод предполагает использования нефольгированного основания, на которое наносится токопроводящий рисунок. Полуаддитивные методы схожи с аддитивными, за исключением использования электрохимических (гальванических) методов металлизации, вместо неустойчивых процессов толстослойной химической металлизации (ТХМ). Комбинированные методы объединяют в себя все приемы изготовления печатных плат, необходимые для изготовления печатных проводников и металлизированных отверстий.

Для изготовления Диагностической карты наилучшим образом подходит комбинированный позитивный метод изготовления, так как он позволяет без труда изготовить двустороннюю печатную плату с металлизированными отверстиями.

Схема комбинированного позитивного метода изготовления двухсторонних печатных плат с металлизированными отверстиями:

1. Нарезка технологических заготовок;

2. Очистка поверхности фольги;

3. Сверление отверстий, подлежащих металлизации, на станках с ЧПУ;

4. Активация поверхности под химическую металлизацию;

5. Тонкая химическая металлизация (до 1 мкм);

6. Предварительная тонкая гальваническая металлизация (до 6 мкм);

7. Нанесение и экспонирование фоторезиста через фотошаблон - позитив;

8. Основная гальваническая металлизация (до 25 мкм внутри отверстий);

9. Нанесение металлорезиста;

10. Удаление экспонированного фоторезиста;

11. Травление обнаженных участков фольги;

12. Удаление металлорезиста;

13. Нанесение контактных покрытий на концевые печатные ламели;

14. Тщательная отмывка платы, сушка;

15. Нанесение паяльной маски;

16. Нанесение финишных покрытий под пайку;

17. Нанесение маркировочных знаков;

18. Обрезка платы по контуру;

19. Электрическое тестирование;

20. Приемка платы.

Преимуществами данного метода являются возможность воспроизведение с высокой степенью разрешения различных типов печатных элементов, хорошая надежность изоляции, а так же высокая прочность сцепления металлических элементов платы с диэлектрическим основанием.



3.3.4 Выбор материала основания

Выбор материала основания для печатного узла зависит от многих критериев, таких как тип диэлектрического основания, толщине основания, толщине фольги, типу фольги, количеству металлизированных сторон и т.д. Диагностическая карта реализуется на двусторонней печатной плате. Устройство работает на малой частоте при невысоких токах. Для этих целей подходит двусторонний фольгированный стеклотекстолит СФ-2-35Г ГОСТ 10316-78. Данный тип стеклотекстолита имеет толщину 1.5 мм и толщину фольги 35 мкм.

3.3.5 Подготовка поверхности печатной платы

Подготовка поверхности и отверстий заготовок ПП осуществляется с целью:

- Удаления заусенцев, смолы механических частиц из отверстий после сверления;

- Получения равномерной шероховатости поверхности;

- Активирования поверхности перед химическим меднением;

- Удаление пыли, грязи, мелких царапин, оксидов, масляных пятен и пр.

Существуют следующие способы подготовки поверхности и отверстий печатных плат: механический, химический, комбинированный, электрохимический, плазменное травление, ультразвуковой и др. В мелкосерийном и серийном производстве используют механическую подготовку поверхности ПП. Она производится на линиях конвейерного типа с дисковыми щетками, на которые подается абразивная суспензия. В качестве абразива используется карбид кремния и оксид алюминия.

Для промывки отверстий диаметром более 0.5 мм применяется струйная промывка, а для отверстий диаметром менее 0.5 используется фонтанная.

3.3.6 Получение монтажных и переходных отверстий

В производстве печатных плат применяются следующие способы получение монтажных и переходных отверстий: механический, пробивка, лазерное сверление, фотолитография, воздействия плазмы.

Диагностическая плата находится в мелкосерийном производстве и на ней присутствую монтажные и переходные отверстия с металлизацией, поэтому следует применить сверление.

3.3.7 Металлизация печатной платы

Металлизация печатной платы осуществляется для получения токопроводящих участков ПП. Для получения металлических покрытий в производстве применяют: химическую металлизацию, гальваническую металлизацию, магнетронное, ионно-плазменное и другие способы напыления.

Для получения подслоя меди на стенках монтажных и переходных отверстий, чтобы сделать их диэлектрические поверхности токопроводящими, применяется химическое меднение.

3.4 Межсоединения

На печатной плате межсоединения осуществляются при помощи печатных проводников. Электрические соединения между печатными проводниками и радиоэлементами осуществляется при помощи пайки.

3.4.1 Технологический процесс пайки

Так как в устройстве используется как монтаж в отверстия, так и поверхностный монтаж элементов, то следует применять пайку волной.

В процессе пайки волной печатную плату устанавливают на конвейер и последовательное проходят через несколько рабочих зон паяльной установки: зону флюсования, предварительный нагрев, зона пайки.

Преимущество пайки волной:

– Это непрерывный процесс, позволяющий достичь высокой производительности;

– Быстрый перенос тепла делает данную технологию хорошо доходящей для пайки печатных плат с металлизированными отверстиями;

– Позволяет паять печатные платы с достаточно высокой плотностью монтажа.

Флюс удаляет оксидные пленки с паяемой поверхности, улучшает смачивающую способность припоя и предотвращает окисление до начала пайки. Распыление флюса осуществляется при помощи вращающегося сетчатого барабана, в котором поток сжатого воздуха, пропущенный через сетку, создает мелкодисперсионную струю жидкого флюса. Слой наносимого флюса должен быть равномерным и иметь толщину 1-10 мкм в сухом состоянии. Зона флюсования оканчивается устройством «воздушного ножа», который служит для удаления избытка флюса с поверхности печатной платы.

Следующей технологической зоной является зона предварительного нагрева. Предварительный нагрев служит для предотвращения теплового удара печатной платы и электрорадиоэлементов в результате контакта с волной горячего припоя, сушки и активации флюса. Нагрев осуществоляется инфракрасными модулями с различной длинной волны, кварцевыми нагревателями и конвекционными системами.

Далее конвейер с печатной платой проходит в зону пайки, где в ванне с помощью помпы формируется волна расплавленного припоя. ПП устанавливается либо на лепестки конвейера, либо крепится в паллетах. Конвейер обладает возможностью изменять скорость движения и угла наклона ПП по отношению к волне (5-9^о). Изменение угла наклона печатной платы важно для обеспечения стекания остатков припоя.

Рисунок 3 Двойная волна припоя. Первая волна - турбулентная. Вторая волна - ламинарная

Так как в изделии используется смешанный монтаж, следует применять «двойную» волну припоя (Рис. 3). В этом способе первая волна является узкой, она подается из сопла под большим давлением и имеет турбулентный характер. Она обеспечивает смачивание выводов ЭРЭ и исключает формирование полостей с газообразными включениями, оставшимися от разложения флюса. Вторая волна - ламинарная. Они имеет более низкую скорость истечения. Эта волна разрушает перемычки, образованные первой волной, и завершает формирование паяных соединений. Пример температурного профиля пайки двойной волной приведен на Рис. 4.

Рисунок 4 Пример температурного профиля для бессвинцовой пайки двойной волной

3.4.2 Флюс

Флюс используется для очистки окисленной поверхности, подлежащей пайке, улучшает растекание припоя по металлу. Для данного изделия можно применить флюс ЛТИ-120. Это раствор канифоли в этиловом спирте с добавлением активаторов (диэтиламин солянокислотный, триэтиломин).

3.4.3 Припой

Припой применяется для соединения деталей и узлов при пайке. Припой должен иметь более низкую температуру плавления, чем паяемые материалы. Одной из важнейших характеристик, от которой зависит прочность соединения и способ пайки является температура плавления припоя. Чем более тугоплавок припой, тем выше прочность паяного соединения. Припой должен хорошо смачивать соединяемые материалы, иметь хорошую текучесть и образовывать плотные коррозионно-стойкие соединения.

Для пайки устройства следует применить припой Sn93.5/Ag3.5/Bi3. Такой припой подходит для пайки волной. Данный сплав обладает наилучшей спаиваемостью среди всех бессвинцовых припоев. Температура плавления составляет 200…210^ОС. При данной температуре не происходит перегрева элементов. Данный припой применяется для пайки ЭРЭ, которые чувствительны к перегреву.

3.4.4 Защитное покрытие

После монтажа ЭРЭ печатную плату следует покрыть защитным покрытием от воздействия внешних воздействующих факторов и для создания электроизоляционного покрытия.

Для этой цели подходит лак УР-231ВТУ ГИПИ-4 №366-62. Этот лак предназначен для коррозионной защиты печатных узлов всеклиматического исполнения, эксплуатируемых при температурах от -60 до +120 ^ОС, а так же для создания защитного электроизоляционного покрытия.

Покрытие платы лаком происходит в два этапа:

– По завершению травления ПП. При этом этапе контактные площадки от покрытия лаком следует предохранить;

– После сборки печатного узла.

Для маркировки следует применять эмали ЭП-72, ЭП-5155, либо АС-5307.

3.5 Установка элементов

Все радиоэлементы устанавливаются на печатную плату соответственно сборочному чертежу ПУ. Перед установкой следует произвести формовку выводов элементов, соответствующую вариантам установки элементов по ОСТ 45.010.030-92.

Установка конденсаторов К10-17А Н50 производится в соответствии с ОСТ45.010.030-92. Вариант установки 180.00.0000.00.00.

Установка конденсаторов ECAP SMD показана на сборочном чертеже.

Установка микросхемы К555ЛА2 производится в соответствии с ОСТ45.010.030-92. Вариант установки 330.00.0000.00.00.

Установка микросхем 74HC00D, 74HC02D, 74HC138D, 74HC374D, 74HC574D показана на сборочном чертеже.

Установка LED индикаторов HDSP0762 производится в соответствии с ОСТ45.010.030-92. Вариант установки 330.00.0000.00.00.

3.6 Расчет параметров печатных проводников

Технические характеристики:

- Напряжение питания +5 В;

- Ток потребления, не более 100 мА;

- Размер печатной платы - 115 х 77.62 мм;

- Класс точности: 3;

- Двусторонняя печатная плата;

- Метод изготовления - комбинированный позитивный метод;

- Метод нанесения рисунка - фотопечать.

3.6.1 Расчет диаметра монтажных отверстий и контактных площадок

Номинальный диаметр отверстий рассчитывается по формуле:

(1)

Где:

– - нижнее отклонение. (Для 3-го класса точности с не металлизированными отверстиями составляет 0.05);

– - разница между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением вывода (для ручной установки ЭРИ в пределах 0.1..0.4 мм);

– максимальное значение диаметра вывода ЭРИ.

Отсюда: d = d_Э + 0.15

Диаметр контактной площадки рассчитывается в соответствии с классом точности печатной платы:

(2)

Где:

– верхнее предельное отклонение диаметра отверстия (для 3-го класса точности 0.05 и отверстия < 1мм);

– гарантийный поясок (для 3-го класса точности 0.1);

– величина подтравливания диэлектрика в отверстии (для двусторонней печатной платы = 0);

– и верхнее и нижнее предельное отклонения ширины проводника (для 3 класса точности 0.05);

– позиционный допуск расположения осей монтажного отверстия (для 3 класса точности 0.15);

– позиционный допуск расположения центра КП (для 3 класса точности 0.25).

Отсюда: D = d + 0,6

Таблица 3.2

Диаметры отверстий

Элемент	Диаметр выводов, мм	Диаметр отверстий, мм	Диаметр контактной площадки, мм	Кол-во
К10-17А Н50	0.6	0.75	1.35	6
К555ЛА2	0.5	0.65	1.25	14
HDSP0762	0.5	0.65	1.25	16

По ГОСТ 10317-72 диаметры отверстий не могут быть 0.75мм, 0.65мм. На чертеже они будут округлены в большую сторону.

3.6.2 Расчет ширины проводников

Ширина проводника зависит от электрических, конструктивных и технологических требований.

Наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника рассчитывается по формуле:

(3)

Где:

- минимальная допустимая ширина проводника, рассчитываемая в зависимости от допустимой токовой нагрузки;

- нижнее предельное отклонение размеров ширины печатного проводника. Для 3 класса точности ПП составляет 0.05 мм.

Минимальная допустимая ширина проводника по постоянному току определяется допустимой плотностью тока j_доп:

(4)

Где:

– - минимальная допустимая ширина проводника;

– - максимальная плотность тока для печатных проводников;

– h - толщина печатного проводника.

Для комбинированного позитивного метода изготовления принимаем = 100 А/мм^2.

- 0.1 А

Для материала платы СФ-2-35-1.50 толщина печатного проводника составляет h = 0.075 мм.

Отсюда:

Наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника составляет:

По результатам расчета, наименьшее значение ширины проводника меньше допустимой по классу точности. По ГОСТ 23751-86 для 3 класса точности примем толщину проводника 0.25 мм.

3.6.3 Расчет расстояния между двумя проводниками

Наименьшее номинальное расстояние между элементами проводящего рисунка рассчитывается по формуле:

(5)

Где:

– минимально допустимое расстояние между элементами проводящего рисунка (при U ? 25 В S_{min D} = 0.1 мм);

– позиционный допуск расположения печатных проводников. Для плат 3 класса точности составляет 0.05 мм;

– верхнее предельное отклонение ширины проводника. Для плат 3 класса точности составляет 0.05 мм.

Отсюда:

S = 0.175 мм.

3.7 Расчет электрических параметров

3.7.1 Емкость в печатном монтаже

Емкость между двумя проводниками рассчитывается по формуле:

(6)

Где:

– - эффективная диэлектрическая проницаемость изоляционных материалов;

– - безразмерная величина, определяющая емкость на единицу длины рассчитываемой системы проводников;

– - длина системы проводников, м.

Для одно- и двусторонних печатных плат при определении эффективной диэлектрической проницаемости необходимо учитывать диэлектрическую проницаемость для воздуха (₁ = 1) и для основания платы (для стеклотекстолита ₂ = 5,6).

В случае с данным устройством наибольшая емкость будет возникать между двумя проводниками на одной стороне печатной платы и между проводником и землей.

Расчет емкости между двумя проводниками:

Рисунок 5 Емкость между двумя проводниками

(7)

(8)

и , где и .

К и К' - это полные эллиптические интегралы, определяемые по справочным таблицам (Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике, М., "Наука", 1974, стр.80.).

Модуль эллиптического интеграла 1 рода

, t = 0.25мм

Расчет емкости между проводником и землей:

Рисунок 6 Емкость между проводником и землей

(9)

(10)

Модуль эллиптического интеграла 1 рода

, t = 0.25мм

Из полуленных емкостей можно сделать вывод, что межпроводниковая емкость настолько мала, что она не будет оказывать большого влияния на функционирование устройства, поэтому ею можно принебречь.

3.7.2 Расчет индуктивности печатных проводников

Расчет индуктивности для прямолинейного уединенного проводника:

Рисунок 7 Прямолинейный уединенный проводник

Индуктивность рассчитывается по формуле:

(11)

Где l - длина проводника.

Расчет индуктивности для двухпроводной печатной линии:

Рисунок 8 Двухпроводная печатная линия

(12)

Расчет индуктивности для печатного проводника вблизи земляной поверхности:

Рисунок 9 Печатный проводник вблизи земляной поверхности

(13)

(14)

3.7.3 Взаимная индуктивность печатных проводников

Расчет взаимной индуктивности для печатных проводников:

Рисунок 10 Проводники без экранизирующей плоскости

Взаимная индуктивность рассчитывается по формуле:

(15)

Из полученных результатов видно, что максимальные значения паразитных индуктивностей печатных проводников и взаимных индуктивностей проводников достаточно малы, следовательно они не окажут влияния на выходные параметры платы и ими можно пренебречь.

3.8 Тепловое моделирование блока устройства

Целью теплового моделирование является определение средних температур стенок корпуса, температуру воздуха внутри корпуса, а так же средней температуры печатного узла. По результатам моделирования можно будет вынести решение о внесение в конструкцию устройства изменений для достижения требуемых тепловых режимов работы.

Исходные данные моделирования:

– Размеры корпуса - 118х18х73 мм;

– Толщина стенок корпуса - 1.5 мм;

– Материал корпуса - ABS-пластик;

– Мощность тепловыделений ПУ - 0.5 Вт;

– Температура окружающей среды - 40^ОС (в качестве температуры окружающей среды следует принимать среднюю температуру внутри системного блока персонального компьютера).

Рисунок 11 Параметры корпуса устройства

Печатная плата закреплена в герметичном корпусе из ABS-пластика. Печатный узел находится на одинаковом расстоянии, как от верхней, так и от нижней грани корпуса. Толщина печатной платы 1.5 мм. Рассеиваемая тепловая мощность радиоэлементами составляет 0.5 Вт. Устройство находится внутри системного блока персонального компьютера, средняя температура которого составляет 40^ОС. Эскиз блока РЭС изображен на Рис. 12.

Рисунок 12 Эскиз блока РЭС

Идеализируем процессы теплопередачи в блоке:

– примем изотермичными каждую грань корпуса;

– примем изотермичным объем воздуха внутри корпуса;

– так как печатный узел имеет равномерное по площади рассеяние тепловой энергии и для него не требуется определять подробное температурное поле, то для упрощения построения МТП представим печатный узел в виде нагретой зоны;

– не учитываем теплопередачу от печатного узла к корпусу блока через элементы крепления печатного узла.

Моделирование теплового процесса в подсистеме АСОНИКА-Т

В подсистеме АСОНИКА-Т существует 4 варианта типовых конструкций РЭС: пластина, корпус, модульная конструкция, кассетная конструкция. Использование этих конструкций существенно упрощает процесс моделирования и расчета, т.к. для данных конструкций уже заданы все процессы теплопередачи между узлами исследуемого объекта. В моделировании следует использовать типовую конструкцию Корпус, т.к. она соответствует построенной МТП. Для ввода типовой конструкции Корпус необходимо нажать на кнопку на панели инструментов.

После ввода соответствующих параметров в рабочем окне подсистемы АСОНИКА-Т появится изображение физической модели корпуса (Рис.13) и топологической модели (Рис.14):

Рисунок 13 Изображение модели корпуса

Рисунок 14 Топологическое отображение модели корпуса с подписанными узлами

После задания типовой конструкции необходимо ввести параметры окружающей среды, а также параметры мощность тепловыделения. Для этого следует создать начальные узлы (пронумерованы 0). Один узел 0 нужно соединить с узлом 7 (окружающая среда) и задать тип воздействия - постоянная температура 40°С. Второй узел 0 нужно соединить с узлом 4 (нижняя стенка), т.к. печатная плата прикреплена к нижней стенке корпуса и задать тип воздействия - постоянная мощность 0.5 Вт. В результате получается следующая модель, изображенная на Рис. 15. Можно выполнять расчет.

Рисунок 15 Готовая к расчету модель

В результате моделирования получаются температуры в узлах тепловой модели, которые соответствуют температурам стенок моделируемого корпуса, а также воздуха внутри корпуса (Рис.16).

Рисунок 16 Температуры тепловой модели

Согласно полученным результатам моделирования, температура печатного узла является допустимой по ТУ. Внесения в конструкцию устройства изменений для достижения требуемых тепловых режимов работы не требуется.



4. Охрана труда

4.1 Эргономика работы за персональным компьютером

4.1.1 Общие положения

Основными повреждающими здоровье при работе за компьютером, как и при любой сидячей работе, являются следующие неспецифичные (т.е. не связанные именно с работой за компьютером) факторы:

1. Длительная гиподинамия. Любая поза при длительной фиксации вредна для опорно-двигательного аппарата, кроме того, ведет к застою крови во внутренних органах и капиллярах;

2. Нефизиологическое положение различных частей тела;

Физиологическим для человека является так называемое эмбриональное положение, его легко испытать на себе, если полностью расслабиться в соленой воде. Когда мышцы расслаблены и воздействует на них лишь естественный тонус покоя, тело приходит в определенное положение. Для спины и шеи в вертикальном положении физиологично другое -- когда явно выражены поясничный и шейный изгибы позвоночника, при прямой вертикальной линии, проходящей через затылок, лопатки и копчик. Правильную осанку необходимо выучить "телом" путем его контроля какое-то время, и потом она будет поддерживаться автоматически. Проще всего встать к ровной стене и прижать к ней плотно пятки, икры, ягодицы, лопатки, локти и затылок. Достигнуть идеала непросто, в процессе работы особенно, но к этому надо стремиться -- хотя бы для отдельных частей тела.

3. Длительно повторяющиеся однообразные движения. Здесь вредна не только усталость тех групп мышц, которые эти движения выполняют, но и психологическая фиксация на них (образование устойчивых очагов возбуждения ЦНС с компенсаторным торможением других ее участков). Хотя наиболее вредны именно повторяющиеся однообразные нагрузки. Через усталость они могут вести к физическому повреждению суставов и сухожилий. Наиболее известен в среде пользователей РС тендовагинит запястных сухожилий, связанный с вводом информации посредством мыши и клавиатуры;

4. Долгое пребывание в замкнутом, а еще хуже -- душном и прокуренном помещении;

5. Световое, электромагнитное и прочее излучение в основном монитора -- а вот это специфический повреждающий фактор при работе с компьютером.

Для борьбы с 1, 3 и 4 повреждающими факторами рекомендации -- нужно раз в час устраивать перерывы, походить, размяться. Еще лучше выполнять пару физических упражнений. Совсем хорошо составить для себя комплекс упражнений для самостоятельной разблокировки позвоночника.

Если из-за напряжения внимания моргание происходит редко, следует моргать осознанно, каждые 5 секунд, или активно «промаргиваться». Это не только способствует увлажнению роговицы и удалению отмерших ее клеток, но и массирует глазные яблоки, что также полезно.

Дополнительно можно помассировать глазные яблоки пальцами, от внешнего угла к внутреннему, затем круговыми движениями внутрь-наружу. Веки при этом должны быть закрыты. Также полезно вращать глазами при закрытых веках.

Разминка для мышц аккомодации (наведения на резкость хрусталика) следующая: встать перед окном, из которого видна даль, и поочередно фокусировать взгляд то на раме, то на горизонте.

4.1.2 Выбор помещения

Помещение должно быть просторным, хорошо проветриваемым и в меру светлым.

Яркий солнечный свет порождает блики на мониторе, поэтому лучше предусмотреть жалюзи. По гигиеническим нормам помещение в целом и рабочее место должны быть освещены достаточно и равномерно. Недопустимо в темной комнате освещать только рабочее пространство, однако если для какой-либо работы необходим очень яркий свет, то лучше дополнительно осветить рабочее место при достаточном, но не излишнем фоновом освещении.

Пыль и жара -- враг не только здоровья, но и техники, поэтому лучше установить кондиционер.

Синтетические ткани при соприкосновении с натуральными и с телом накапливают статическое электричество, которое вредно для техники и вызывает неприятные ощущения при прикосновении к заземленным деталям -- поэтому рекомендуется постелить палас из натуральной шерсти и носить одежду из натуральных волокон.

4.1.3 Выбор и установка стола

Стол должен быть по возможности большим. Это главное условие, т.к. когда места еле хватает для размещения всей периферии, то про эргономику можно просто забыть. Высота его должна быть на уровне середины живота при прямой посадке, когда пятка и носок стоят на полу, а бедро параллельно полу и спина прямая.

Глубина -- так чтобы расстояние до экрана монитора было достаточным, но не менее 50 см. Ширина зависит от количества периферийных устройств и прочего, что должно на нем находиться. Ну и, конечно же, чем массивнее -- тем лучше, устойчивость враг вибрации, а вибрация -- враг техники.

Очень неплохо поставить 2 стола под прямым углом друг к другу, второй справа, чтобы рабочая рука ...