Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изучение ТЗ на изделие

Данное изделие предназначено для эксплуатации в качестве наземной РЭА и не подвергается воздействию высоких температур, давления, не используется в условиях повышенной влажности и цикличности воздействия температур. Следовательно, по ОСТ 4.077.000 изделию следует присвоить первую группу жесткости. Группа жесткости обуславливает требования к конструкции платы, материалу основания и проводящего рисунка, а также необходимость защиты от климатических, механических и других воздействий.

Таб. 1. Воздействующие факторы по 1 группе жесткости

Наименование воздействующего фактора	Значение фактора
Температура окр. среды	Повышенная, 0С	85±2
Повышенная влажность	Время выдержки	2 сут.
Циклическое воздействие температур	Верхнее знач., 0С Нижнее знач., 0С Число циклов	55±2 -40±2 2

Поверхностный монтаж выполняется по бессвинцовой технологии, которая имеет определенные требования:

· Использование бессвинцовых сплавов для пайки;

· Флюс должен соответствовать требованиям защиты окружающей среды, обладать паяемостью, быть совместимым с материалами, соответствовать термическим требованиям бессвинцовых сплавов;

· Компоненты должны обладать термической паяемостью, смачиваемостью, термостойкостью, чувствительностью к влаге, иметь чистую поверхность без окислов. Не допускается деформация компонентов при пайке. Термоустойчивость - 2600С в течение 10 секунд; пластмассы не должны содержать галогенов.

· Плата должна быть ровной, термостойкость должна соответствовать температурному профилю, иметь оптимизированную конструкцию для бессвинцовой пайки

Материалы, используемые для изготовления ПП, а также материалы компонентов должны соответствовать директивам RoHS и WEEE.

Выбор элементной базы с учетом требований ТЗ

При выборе элементной базы были учтено функциональное назначение элементов, а также условия эксплуатации.

Выбор резисторов

R1=1,5 кОм

R3* = 6 кОм

Выбираем тонкопленочные чип-резисторы Panasonic типа ERJ8G (См. приложение 1)

(1206).

Номинальный ряд сопротивлений Е24;

Точность: 5%;

P = 0,063 Вт;

Диапазон рабочих температур -55°C ... +125°C

Выбор конденсаторов

С1= С2 = С4= С5= 0,1мкФ

Выбираем керамический чип-конденсатор MURATA GRM319R71Н103КA01D (См. приложение 2). Данный конденсатор соответствует директиве RoHs.

C=0,1мкФ.

Точность: ±10%

V=50 B.

P = 0,063 Вт;

Диапазон рабочих температур -55°C ... +125°C

Температурный коэффициент X7R

Выбор транзистора

Транзистор VT - PNP структуры (см. приложение 3)

Выбираем чип-транзистор типа КТ3129А9.

Максимальное напряжение коллектор-база: 50 В;

Статический коэффициент передачи тока h21Э: 30;

Максимальный ток коллектора: 0,1 А;

Макс. рассеиваемая мощность коллектора: 0,075 Вт.

Рабочая температура-55...85 0С



Биполярный чип-транзистор

Выбор диодов VD1, VD2, VD3

DL4007 -- RECT PASSIVATD 1A 1000V SMD MELF

Напряжение DC реверсный 1000V (1kV)

Прямое напряжение1.1V @ 1A

Ток выпрямленный 1A

Обратный ток утечки 5µA @ 1000V

Тип диода Стандарт

Скорость Standard Recovery >500ns, > 200mA (Io)

Тип монтажа Поверхностный монтаж

Корпус MELF (DL-41)

Встречается под наим.DL4007MSTR

Рабочая температура: -65 ° C до +150 ° C

P = 0,2 Вт

Документация На сайте http://www.chipfind.ru

Выбор и обоснование типа и технологии печатной платы

Выбор типа ПП определяется плотностью монтажа с учетом технико-экономических показателей, который производится сравнительной оценкой трудоемкости изготовления 1 дм2 площади ПП.

В данном случае целесообразно использовать двустороннюю печатную плату (ДПП) с металлизированными монтажными и переходными отверстиями, характеризуемую повышенной ремонтопригодностью и прочностью вывода навесного элемента с проводящим рисунком платы.

Для ДПП с металлизацией отверстий используются в основном следующие методы получения проводящего рисунка: комбинированный (позиционный и негативный), полуаддитивный и аддитивный.

Выбор метода получения зависит от оснащенности производства конкретного предприятия. В учебных целях выберем комбинированный позитивный метод печатного монтажа. Метод заключается в получении проводников путем травления фольгированного диэлектрика и металлизации отверстий химико-гальваническим способом. Типовой технологический процесс изготовления ДПП позитивным комбинированным способом приведен в ОСТ 4.ГО.054.233. Защитный рисунок формируется фотолитографическим способом.

Поверхностный монтаж выполняется по бессвинцовой технологии пайкой оплавленем. Если говорить о принципиальных моментах, то бессвинцовая пайка практически ничем, кроме температуры, не отличается от традиционной Sn/Pb-технологии. Однако могут потребоваться некоторые изменения на определенных операциях техпроцесса. Так, например, новые типы припоев и флюсов могут повлиять на характеристики припойной пасты. Могут измениться такие свойства паст, как срок службы и хранения, текучесть, что потребует изменения конструкции ракеля и режимов оплавления.

Выбранный припой - SnAgCu - сплав олова, серебра и меди является трехкомпонентным эвтектическим припоем. Преимущество такого типа заключается в более низкой температуре расплавления (217°С).

Паяльная паста KOKI S3X58-M406 D - безотмывочная паяльная паста для дозаторов, размер частиц 20 ~ 38 мm, высокое время жизни после нанесения 72 часа, флюс ROL 0 (слабоактивный, не требующий отмывки), содержание флюса 13 %.

Флюс NC -771 - жидкий флюс с малым содержанием твердых частиц без галогенов, созданный для бессвинцовой технологии, но прекрасно подходящий для использования и в олово\свинцовой технологии. Он не содержит летучих органических веществ (VOC-Free) и обеспечивает отличную смачиваемость на разных типах металлизации. После пайки флюсом остается небольшие мягкие, но нелипкие остатки, которые не будут препятствовать проведению электрического контроля щупами.

Выбор класса точности, габаритных размеров и конфигурации печатной платы

Для разрабатываемой печатной платы выбираем 2-й класс точности, который обеспечит простоту ее исполнения и надежность в эксплуатации при минимальной стоимости.

Табл.1. Номинальные размеры основных параметров элементов конструкции печатной платы

Название элемента	Класс точности - второй
Ширина проводника, t	0,45 мм
Расстояние между элементами, S	0,45 мм
Гарантированный поясок, b	0,2 мм
Отношение диаметра отверстия к толщине	0,4

Табл.2. Габаритные размеры (по ГОСТ 10317-79) и конфигурация печатной платы

Название элемента	Значение
Габаритные размеры	5030 мм
Соотношение размеров сторон	1,6:1
Толщина печатной платы	2 мм
Конфигурация печатной платы	прямоугольная
Шаг координатной сетки	0,75 мм.



Рис.4 Поперечный разрез конструкции ДПП без металлизации отверстий

- толщина основания печатной платы;

- толщина печатной платы;

- диаметр отверстия;

- диаметр контактной площадки;

- ширина печатного проводника;

- расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка;

- гарантийный поясок;

- толщина проводящего рисунка;

- толщина фольги;

- толщина проводящего покрытия;

- толщина гальванически наращенной меди.

Выбор материала основания печатной платы

К базовым материалам печатных плат, выполненных по бессвинцовой технологии, относится материал HTg FR - 4.

Этот материал имеют более высокую температуру стеклования, т.е. может выдерживать температуры на 30-40°С выше, чем материалы, применяющиеся при пайке по традиционной технологии.

Это свойство материала HTg FR - 4 позволяет осуществлять пайку в печи и волной при температуре до 255-265°С и выше, что является обязательным условием для электронных блоков, изготавливаемых по бессвинцовой технологии. Следует помнить: чем больше слоёв у печатной платы, тем более критичным становится это условие.

Pb free HASL (Hot Air Solder Leveling) - покрытие бессвинцовым припоем с выравниванием воздушным ножом

В отличие от традиционной технологии HASL используется не содержащий свинец сплав (93,3% Sn-0,7% Cu).

Покрытие по технологии HASL, обеспечивает отличную паяемость печатной платы, однако может не удовлетворять условиям плоскостности контактных площадок под микросхемы с очень высокой степенью интеграции (например fine-line BGA).

Толщина покрытия: 1 - 40 мкм

Достоинства:

· Наиболее традиционный метод покрытия, хорошо отлаженная технология нанесения и дальнейшего использования плат;

· Хорошая прочность паяного соединения;

· Выдерживает многократное термоциклирование.

Недостатки:

· Большая неплоскостность контактных площадок, приводящая к возможному появлению дефектов при сборке;

· Не подходит для плат с большим соотношением толщина платы/диаметр отверстия;

· Не подходит для компонентов с шагом менее 0.5 мм;

· Плата испытывает нагрев до высокой температуры, что может привести к деформации;

· Возможны замыкания контактных площадок компонентов с малым шагом;

· Неравномерная толщина покрытия для контактных площадок разного размера.



Топологическое конструирование платы

Стремясь достичь минимальных размеров рисунка на плате, обеспечивающих размещение ЭРЭ в соответствии с заданной принципиальной схемой, размещение элементов на плате и трассировку проводящих линий необходимо производить в соответствии со следующими критериями:

- минимум суммарной длины связей;

- минимум максимальной длины сигнальных цепей;

- максимально близкое расположение элементов с наибольшим числом взаимных связей.

Оценка геометрических параметров проводящего рисунка

Конструкторско-технологический расчет печатных плат проводится с учетом производственных погрешностей рисунка проводящих элементов, фотошаблонов, базирования, сверления, экспонирования и т. д. по ОСТ 4.010.019-81 и ГОСТ 23751-79

1. Расчет конструктивных параметров печатных проводников с учетом технологических погрешностей получения проводящего рисунка проводится по следующей методике.

Номинальное значение диаметра монтажного отверстия (для установки навесного элемента), мм:

, где:

- максимальное значение диаметра вывода навесного элемента;

- разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода устанавливаемого элемента (выбирается в зависимости от допусков на диаметры выводов устанавливаемых элементов и их расположения на корпусе в пределах 0.1…0.4 мм);

- нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия.

мм;

Предпочтительные размеры монтажных отверстий выбирают из ряда 0,7; 0,9; 1,3; 1,5 мм, а переходных отверстий из ряда 0,7; 0,9; 1,1.

Следовательно, выбираем размер 0,9.

Номинальное значение ширины проводника:

, где:

- минимально допустимая ширина проводника, мм;

- нижнее предельное отклонение ширины проводника, мм.

мм;

Номинальное значение расстояния между элементами проводящего рисунка:

, где:

- минимально допустимое расстояние между соседними элементами;

- верхнее предельное отклонение ширины проводника.

Величина SМД выбирается из расчета обеспечения электрической прочности изоляции в соответствии с ОСТ 4.010.019-81.

мм.

Центры монтажных и переходных отверстий располагаются в узлах координатной сетки по ГОСТ 10317-79.

Диаметральное значение позиционного допуска расположения центров отверстий относительно номинального положения узла координатной сетки:

Диаметральное значение позиционного допуска расположения контактных площадок относительно их номинального положения:

Минимальный диаметр контактной площадки:

, где:

- номинальное значение диаметра монтажного отверстия;

- предельное отклонение;

- ширина гарантированного пояска;

- глубина подтравливания диэлектрика (для ДПП - около нуля).

мм.

Минимальное расстояние для прокладки n-го количества проводников между отверстиями с контактными площадками диаметрами и :

, где:

n - количество проводников;

- диаметральное значение позиционного допуска расположения проводника относительно номинального положения (для ДПП 2-го кл. точности =0.1)

мм

Приведенная методика расчета конструктивных параметров проводящего рисунка не учитывает технологических факторов получения защитного рисунка и способа изготовления проводящего рисунка плат.

2. Расчет конструктивных параметров печатных плат с учетом погрешностей получения защитного рисунка и технологических особенностей различных способов изготовления проводящего рисунка проводится по методике в ОСТ 4.010.022-85.

Расчет учитывает предельные значения технологических коэффициентов, полученных в результате экспериментальных исследований точности отдельных операций.

Минимальный диаметр металлизированного отверстия:

, где:

- толщина платы, мм;

- отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы.

мм;

При расчете минимального диаметра контактных площадок необходимо учитывать явления подтравливания и разращивания проводящего слоя, погрешности относительного расположения отверстия и контактной площадки.

Минимальный эффективный диаметр контактной площадки:

;

dmax - максимальный диаметр просверленного отверстия;

;

dсв - диаметр сверла;

Дd - погрешность диаметра отверстия;



;

dМотв - диаметр металлизированного отверстия;

мм;

мм;

Погрешность расположения отверстий:

, где

- погрешность расположения отверстия относительно координатной сетки, обусловленная точностью сверлильного станка;

- погрешность базирования плат на сверлильном станке;

;

Погрешность расположения контактной площадки:

;

- погрешность расположения оси контактной площадки относительно координатной сетки на фотошаблоне;

- погрешность расположения элементов при экспонировании на слое;

- погрешность расположения базовых отверстий на фотошаблоне;

;

Минимальный эффективный диаметр контактной площадки:

мм.

Минимальный диаметр контактной площадки:

;

Нф - толщина фольги, мм;

hпм - толщина предварительно осаженной меди;

hp - толщина металлического резиста;

мм.

Минимальный диаметр окна фотошаблона:

;

мм.

Максимальный диаметр окна фотошаблона:

;

?Dш- погрешность изготовления линии фотошаблона;

мм.

Максимальный диаметр контактной площадки:

;

мм.

Минимальная ширина проводника:



;

tn1min- минимальная эффективная ширина проводника;

мм.

Минимальная ширина линии на фотошаблоне:

;

hг - толщина наращенной гальванической меди;

мм.

Максимальная ширина линии:

;

- погрешность изготовления линии фотошаблона;

мм.

Максимальная ширина проводников:

;

?Э- погрешность диаметра контактной площадки фотокопии при экспонировании рисунка;

мм.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой:

;



L0- расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

мм

Минимальное расстояние между контактными площадками:

;

мм.

Минимальное расстояние между двумя проводниками:

;

мм.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой на фотошаблоне:

;

мм.

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками на фотошаблоне:

;

мм.

Минимальное расстояние между двумя проводниками на фотошаблоне:

;



мм.

Контактные площадки могут иметь произвольную форму. Предпочтительной является круглая. Контактная площадка, предназначенная под установку первого вывода многовыводного элемента, должна иметь форму отличную от остальных.

В результате расчета геометрических параметров двумя методами обеспечиваются расстояния между элементами печатного рисунка, необходимые для нормального функционирования схемы. Выбранный класс точности (2 класс) может быть применен.

Проводники располагают равномерно по площади платы с учетом следующих требований:

- параллельно линии координатной сетки или под углом, кратным 15°;

- параллельно направлению движения волны припоя или под углом к нему не более 30° со стороны пайки, если проводящий рисунок не покрывают защитной маской;

- по взаимно перпендикулярным направлениям на соседних проводящих слоях платы;

- перпендикулярно касательной к контуру контактной площадки.

Оценка помехоустойчивости

Оценка помехоустойчивости печатного узла сводится к расчету проводящего рисунка печатной платы по постоянному и переменному току.

Расчет проводящего рисунка по постоянному току

Помеха по постоянному току возникает за счет падения напряжения на печатном проводнике и за счет конечного значения сопротивления изоляции. Целью расчета по постоянному току является определение падения напряжения на сигнальных шинах и шинах питания, а также оценка сопротивления изоляции.

Падение напряжения на проводнике:



В, где:

- удельное сопротивление проводника (=0.05 );

- толщина фольги 35 мкм;

- ширина проводника 250 мкм;

- длина проводника 62 мм;

- ток 0,2 А;

В

Необходимо обеспечить условие для сигнальной цепи , где:

- запас помехоустойчивости. Для большинства логических схем напряжение запаса помехоустойчивости составляет 0.4 - 0.5 В.

0,11<0.4, следовательно, запас помехоустойчивости обеспечен.

Сечение проводника шины питания или земли:

, где:

- номинальное значение напряжения питания.

=0,1 мм2

Значение, полученное в ходе расчетов: SПЗ=0,004 мм2

Определение сопротивления изоляции

При определении сопротивления изоляции учитывается, что диэлектрики имеют два вида электропроводности: поверхностную и объемную.

Поверхностное сопротивление изоляции параллельных печатных проводников обусловлено наличием удельного поверхностного сопротивления диэлектрика платы:

, где:

- удельное поверхностное сопротивление диэлектрика ( Ом - для гетинакса);

- зазор между проводниками;

- наибольшая длина совместного прохождения проводников.

Ом.

Объемное сопротивление изоляции между проводниками противоположных слоев ДПП определяется наличием удельного объемного сопротивления диэлектрика :



, где:

- удельное объемное сопротивление диэлектрика основания печатной платы () ;

- толщина печатной платы;

- площадь проекции одного проводника на другой.

Ом

Сопротивление изоляции параллельных проводников, имеющих ширину , зазор и длину совместного прохождения , вычисляется так:

Ом

Для нормального функционирования проектируемого узла сопротивление изоляции между проводниками должно превышать входное сопротивление электронных схем более чем в 1000 раз.

Расчет проводящего рисунка по переменному току

При передаче по печатным элементам платы высокочастотных или импульсных сигналов, из-за наличия индуктивного сопротивления проводников, взаимной индуктивности и емкости, сопротивления утечки между проводниками сигналы искажаются, появляются перекрестные помехи. Расчет по переменному току позволяет уточнить максимальную длину одиночного проводника, максимальную длину совместного прохождения рядом расположенных проводников, зазоры между проводниками.

Задержка при передаче сигналов по линии связи:

, где:

- индуктивность и емкость линии;

- погонная задержка сигнала по проводнику в вакууме () ;

- относительные диэлектрическая и магнитная проницаемость основания платы;

, где:

= 6 - диэлектрическая проницаемость платы;

= 4 - диэлектрическая проницаемость лака.

= 1.

нс.

Емкость и взаимная индуктивность печатных проводников:

а) Для проводников, расположенных на одной стороне платы:

Емкость печатных проводников:

, где:

w - толщина проводника 0,035 мм;

b - ширина проводника 0,45 мм;

- зазор между проводниками 1 мм.

- наибольшая длина совместного прохождения проводников 28 мм.

Коэффициент взаимоиндуктивности:

б) Для проводников, расположенных на противоположных сторонах платы:

Проводников, проходящих параллельно по противоположным сторонам платы нет.

в) Напряжение перекрестной помехи:

Проанализировав принципиальную схему, можно сделать вывод, что связи между активной и пассивной линиями нет.

Защита узлов от теплового воздействия

Тепловой расчет отдельно взятого печатного узла без учета теплового воздействия других ПУ в блоке корпуса, как правило, не проводится. Поэтому необходимо оценивать тепловой режим всего блока.

Расчет теплового режима блока РЭА выполняется в 2 этапа. На первом этапе рассматривается вариант с естественным воздушным охлаждением. Итогом расчета является температура нагрева ЭРЭ, наиболее критичных к перегреву. Если эта температура не превышает допустимую, то тепловой расчет ограничивается первым этапом, если же температура нагрева ЭРЭ превышает допустимую температуру, то необходимо перейти ко второму этапу, т. е. к расчету теплового режима блока с принудительным воздушным охлаждением. Итогом расчета на втором этапе будет температура нагрева блока при заданном расходе воздуха. Данная методика тепловых расчетов относительно проста и имеет погрешность не более 10%. При разработке блоков, входящих в стойку, в которой предусмотрена принудительная вентиляция, тепловой расчет необходимо начинать со второго этапа.

Расчет теплового режима блока РЭА с естественным воздушным охлаждением

Методика расчета справедлива для вариантов как вертикального, так и горизонтального расположения печатных узлов (ячеек) в блоке. Для прямоугольного блока область выделения тепла (нагретая зона) представляет собой параллелепипед, включающий ЭРЭ, выделяющие тепло, и промежутка между ними.

Длина и ширина нагретой зоны (НЗ) соответственно равны длине и ширине печатной платы (ПП) без учета участков, служащих для установки лицевых панелей соединителей, полей направляющих. Высота НЗ для единичного ПУ равна толщине ПП и высоте наиболее высокого компонента.

Исходные данные:

Размеры блока: - ширина платы; - длина платы ; - высота с учетом наиболее выступающего элемента (вилки);

Размеры нагретой зоны (размеры области на плате, в которой размещены все подвергнутые нагреву элементы): ; ; ;

Мощность рассеивания блока: ;

Мощность рассеивания блока складывается из мощности рассеиваемой:

· микросборкой; Вт

· чип-резисторами P=0,063•2=0,126 Вт

· диодами P=0,2·3=0,6 Вт

· чип-конденсаторами Р=4·0,063=0,252 Вт

· транзистором Р=0,075 Вт

Мощность рассеивания компонента, наиболее критичного к нагреву:

- мощность диода.

Площадь поверхности ЭРЭ, наиболее критичных к перегреву: ;

Максимальная температура окружающей среды: ;

Количество вентиляционных отверстий: ;

Площадь одного отверстия: ;

Допустимая температура компонента: - максимально допустимая температура МСБ (так как в составе МСБ присутствует навесной элемент - усилитель 740УД5-1, интервал рабочих температур среды, град: -60…+85, см. учебное пособие «Конструирование микросборок», табл. П3.1, стр. 75);

Рис. 5. Тепловая модель блока

Поверхность кожуха блока:

Поверхность нагретой зоны:

, где:

, где:

= 10800 мм3 - объем печатных плат;

= 1700 мм3 - объем компонентов в узлах;

= 83328 мм3- объем блока.

Удельная мощность, рассеиваемая кожухом:

Перегрев кожуха блока:

Удельная мощность, рассеиваемая НЗ:

Перегрев нагретой зоны:

Суммарная площадь вентиляционных отверстий:

Коэффициент перфорации:



Коэффициент, учитывающий перегрев при наличии вентиляционных отверстий:

Перегрев кожуха блока:

Перегрев нагретой зоны:

Средний перегрев воздуха в блоке:

, где: 0.6 - эмпирический коэффициент;

Критичная величина перегрева нагретой зоны:

Компонент не участвует в дальнейшем расчете, если выполняется:



Вывод: Рассматриваемый компонент удовлетворяет условию, значит необходимый тепловой режим обеспечен при естественном варианте охлаждения.

Технологическое проектирование

Обеспечение технологичности конструкции изделия

Обеспечение технологичности конструкции изделий (ТКИ) предусматривает взаимосвязанное решение конструкторских и технологических задач, направленных на повышение производительности труда, достижение оптимальных трудовых и материальных затрат и сокращение времени на производство, техническое обслуживание и ремонт изделия.

Уровень ТКИ - совокупность показателей, учитывающих взаимосвязь и взаимозависимость конструктивно-технологических, технико-экономических характеристик изделий, требований производства в заданных условиях и характеризует уровень применяемых методов и принципов проектирования, организационно-технических мероприятий по технологической подготовке производства.

ТКИ оценивают количественно с помощью системы показателей, которые, согласно ГОСТ 14.201-83, делятся на три вида:

- базовые (исходные) значения показателей ТКИ, являющиеся предельными нормативами технологичности, которые регламентированы для отдельных видов изделий отраслевыми стандартами и техническим заданием на разработку изделия;

- показатели ТКИ, достигнутые при разработке;

- показатели уровня ТКИ.

Количественные оценки ТКИ

Количественная оценка ТК выражается показателем, численное значение которого характеризует степень удовлетворения требованиям к технологичности конструкции. Методика расчета базируется на расчете относительных частных показателей и комплексного показателя ТК. Состав относительных частных показателей и значение коэффициентов значимости определяются классом, к которому относится разрабатываемый блок, в нашем случае это класс «электронные блоки.

Оценка технологичности печатных узлов и блоков РЭА на основе использования частных и комплексного показателей

Состав относительных частных показателей и значение коэффициентов значимости () определяются классом, к которому относится разрабатываемый блок (печатный узел), и приведены в таблице ниже:

Порядковый номер в ранжированной последовательности		Класс - электронные блоки
1	1	Кимс
2	1	Кам
3	0,75	Кмп ЭРЭ
4	0,5	Кмкн
5	0,31	Кпов. ЭРЭ
6	0,187	Кп ЭРЭ
7	0,11	Кф

1) Коэффициент использования микросхем:

, где:

- общее количество микросхем и микросборок в изделии;

- общее количество ЭРЭ;

- коэффициент значимости.

2) Коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделия:

, где:



- количество монтажных соединений, которые могут осуществляться механизированным или автоматизированным способом;

- общее количество монтажных соединений.

3) Коэффициент автоматизации и механизации подготовки электрорадиоэлементов к монтажу:

, где:

- количество ЭРЭ, подготовка которых к монтажу может осуществляться механизированным или автоматизированным способом.

4) Коэффициент автоматизации и механизации операций контроля и настройки:

, где:

- количество операций контроля и настройки, которые можно осуществить механизированным или автоматизированным способом.

- общее количество операций контроля и настройки.

5) Коэффициент повторяемости ЭРЭ:

, где:

- общее количество типоразмеров ЭРЭ в изделии.

6) Коэффициент применяемости:

, где:

- количество типоразмеров оригинальных ЭРЭ в изделии.

7) Коэффициент прогрессивности формообразования деталей:

, где:

- количество деталей, заготовки которых или сами детали получены прогрессивными методами формообразования (штамповкой, прессованием, порошковой металлургией, литьем и т.д.);

- общее количество деталей.

Комплексный показатель технологичности:

Уровень технологичности конструкции:

=0,5, где:

- коэффициент для автоматизированных систем управления и электронно-вычислительной техники (нормативный комплексный показатель, который либо определяется расчетным путем, либо берется из нормативных документов).

Разработка техпроцесса сборки печатного узла

В электронной промышленности существует шесть общих типов SMT (Surface-Mount Technology - технология поверхностного монтажа) сборки, каждому из которых соответствует свой порядок производства. Когда разработчик выбирает тип сборки, его целью должна быть минимизация числа операций, так как каждая операция может увеличивать промышленную стоимость. Существует специальный стандарт, в котором представлены основные виды сборок, разбитые по классам.

SMC и IPC (SMC, IPC - системы стандартов) документация по поверхностному монтажу на платы, IPC-7070, J-STD-013 и National Technology Roadmap for Electronic Interconnections включают следующие схемы поверхностного монтажа:

- Тип 1 - монтируемые компоненты установлены только на верхнюю сторону

- Тип 2 - монтируемые компоненты установлены на обе стороны

- Класс А - только монтируемые в отверстия компоненты (DIP компоненты)

- Класс В - только поверхностно монтируемые компоненты (SMD компоненты)

- Класс С - смешанная: DIP и SMD компоненты

- Класс Х - комплексно-смешанная сборка: монтаж в отверстия, поверхностный монтаж, BGA

В данной работе ввиду малого количества элементов и отсутствия необходимости выбора платы большого размера целесообразно выбрать вид расположения элементов таким образом, чтобы все элементы располагались на одной стороне (тип 1C - смешанная сборка: одностороннее расположение компонентов).

При этом элементы поверхностного монтажа устанавливаются на контактные площадки, а навесные в металлизированные отверстия.

Порядок проведения процесса:

- нанесение припойной пасты;

- установка компонентов поверхностного монтажа;

- пайка оплавлением;

- промывка верхней части платы;

- установка навесных компонентов, монтируемых в отверстия;

- пайка методом селективного окунания;

- промывка.

Для крепления компонентов на плату используется метод нанесения припойной пасты - непосредственно на контактные площадки печатной платы (выбранный припой - SnAgCu).

Для установки компонентов поверхностного монтажа используется автоматическая система CSM7000 производства швейцарской фирмы ESSEMTEC.

CSM7000 обладает жесткой, хорошо продуманной конструкцией с удобным доступом к любой части машины. Существует настольное или напольное исполнение. С практической точки зрения наиболее удобным является напольный вариант установки, так как в этом случае автомат располагается на прочном сварном стенде, что обеспечивает лучшую стабильность установки компонентов (значительно снижен уровень вибрации автомата) и позволяет применять ленточные питатели для катушек большого диаметра.

Дополнительно во внутренней части стенда приспособлена полка под системный блок управления, эргономичная высота расположения клавиатуры и монитора делают удобным управление автоматом.

CSM7000

Пайка оплалнием.

Создание оптимального температурного профиля оплавления является одним из важнейших факторов в обеспечении качества паяных соединений, получаемых на печатной плате методом поверхностного монтажа.

Этап предварительного нагрева

В течение данного этапа паяльная паста высушивается, испаряются ее наиболее летучие компоненты (органические наполнители), удаляется влага из ЭК и ПП. Скорость подъема температуры обычно составляет 1 - 3°С/сек (по данным [2] 2 - 4°С/сек), максимальная температура составляет от 100 до 150°С. Более быстрый рост температуры приводит к разбрызгиванию паяльной пасты, образованию шариков и перемычек припоя, а также может вызвать повреждения термочувствительных ЭК (появление трещин в керамических чип - резисторах и т.д.). Бессвинцовые сплавы требую более высоких температур предварительного нагрева - до 150 - 200°С.

Выдержка

При выдержке происходит минимизация градиентов температур компонентов и всех областей ПП, активация флюса, очистка паяемых поверхностей. Скорость подъема температуры выбирается предельно низкой. Температура в конце этапа приближается к точке плавления (130 - 170°С для эвтектических припоев, 180 - 200°С для бессвинцовых). Следствием слишком быстрого подъема температуры является недостаточное флюсование и образование шариков припоя; с другой стороны, низкая скорость обуславливает избыточное окисление пасты и, в результате, ее разбрызгивание, а также увеличивает без необходимости время операционного цикла. Время выдержки составляет 60 - 90 сек, иногда до 120 - 150 сек. Рекомендуется, чтобы разница температур между фазами предварительного нагрева и оплавления была меньше 100°С.

Оплавление

В процессе оплавления температура повышается на 1 - 3°С/сек. Чтобы избежать перемычек припоя, недостаточной смачиваемости, эффектов «холодной» пайки и коробления, необходимо выдерживать паяемые ЭК при температуре выше точки плавления (183°C для Sn63, 179°C для Sn62, 217°C для бессвинцовых) по меньшей мере в течение 30 - 90 сек (предпочтительно 60 сек.). Меньшие значения (30 - 60 сек) рекомендуются в случае использования покрытий HASL и OSP, большие (60 - 90 сек) - для покрытий на основе никеля. Температура должна быть достаточной для обеспечения хорошего смачивания и флюсования (обычно - 215 - 220°C) и на 30 - 40°С превышать температуру эвтектики. ЭК должен находиться при температуре, отличающейся от пиковой не более чем на 5°С, в течение 10 - 30 сек. Более длительная, чем необходимо, выдержка ведет к избыточному росту интерметаллических соединений, что придает паяному соединению хрупкость и уменьшает его усталостную прочность. Также повышенная температура может активизировать окисление пасты, что ухудшает смачивание. Температура корпуса ЭК, которая может отличаться от температуры выводов на 15°С, не должна превосходить 220°С. Небольшие ЭК (объем корпуса V<350 мм3) подвергаются большему нагреву, чем крупные. Максимальное значение температуры корпуса для небольших ЭК составляет 240°С. В процессе оплавления не должно происходить изменения цвета или обугливания ПП.

Пиковая температура в процессе оплавления имеет нижний и верхний пределы. Нижний предел - температура, минимально необходимая для получения надежных паяных соединений (определяется, прежде всего, характеристиками припойной пасты). Верхний предел - максимальная температура оплавления, которая должна быть ниже, чем:

· тестовая температура, используемая для оценки уровня чувствительности корпуса ЭК к влажности (MSL);

· температура, при которой происходит повреждение ПП.

Диапазон между нижним и верхним пределами пиковой температуры определяет т.н. «окно» процесса. Шириной этого окна для традиционной технологии составляет около 35°С. Для бессвинцовых сплавов окно процесса существенно уже (10 - 20°С), и существенно возрастают требования к контролю параметров процесса.

Рекомендуемая пиковая температура лежит в границах 230-240 °C

Охлаждение

Процесс пайки считается завершенным, когда сборка охлаждается с образованием прочных паяных соединений. Скорость охлаждения непосредственно влияет на получаемую микроструктуру соединения, а она, в свою очередь, на его механические свойства. Высокая скорость охлаждения уменьшает размер зерна интерметаллических соединений и упрочняет паяные соединения, увеличивает усталостную прочность, соединение получается более блестящим. С другой стороны, быстрое охлаждение вызывает остаточные напряжения в материалах с различными ТКР и коробление ПП. Вследствие этого, следует контролировать процесс охлаждения - как правило, снижением скорости в зависимости от возможностей печи (скорости воздушного потока, расположения нагревательных элементов, ширины конвейера и т.д.). Рекомендуемые значения скорости составляют 3 - 4°С/сек до 130 °С (не более 4°С/сек).

Время нахождения платы под воздействием температуры выше температуры стеклования Tg (125° - 175°C) должно быть менее 4 минут. Продолжительность процесса оплавления при подъеме температуры от 45°C до пиковой (215 ± 5°C) составляет, как правило, от 3,5 до 4 минут; общее время пребывания платы в печи - от 4 до 6 минут.

Типичный профиль оплавления и его деление на этапы

Для пайки оплавлением используется печь BTU PYRAMAX

Печи Pyramax разработаны и производятся для совершенного управления процессом бессвинцовой пайки и с запасом на будущее. С их непараллельной комбинацией термической производительности и гибкостью печи Pyramax являются промышленным стандартом для всех производителей печей оплавления.

Печи Pyramax оптимизируют процесс бессвинцовой пайки, повышая продуктивность и эффективность. Только печи BTU имеют замкнутую систему контроля конвекцией, обеспечивая точный контроль нагревом и охлаждением, постоянством передачи тепла, максимальным контролем процесса и сниженным расходом азота, обеспечивая минимальные затраты на производство с минимальной стоимостью владения.

Печи производятся с 6, 8 и 10 зонами с воздухом или азотом, максимальным нагревом до 350°С, гибкой конфигурацией платформы, низким потреблением азота и электроэнергии, и с большим набором дополнительных опций. Печи Pyramax имеют максимальную гибкость исполнения и лучшую производительность.

Установка выводных (DIP) компонентов осуществляется ручным способом с помощью пинцета.

Селективная пайка - выборочная пайка навесных компонентов на платах с SMD-компонентами, которая имеет ряд преимуществ. Применение данной технологии позволяет производить установку SMD-компонентов на паяльную пасту с ее дальнейшим оплавлением в конвекционной печи, а затем паять навесные компоненты в системе селективной пайки. Это обеспечивает более высокое качество пайки поверхностномонтируемых компонентов, чем групповая пайка компонентов в установке пайки двойной волной припоя, особенно при высокой плотности монтажа на плате. К тому же SMD-компоненты не погружаются в волну припоя и не подвергаются дополнительному термическому воздействию. Следовательно, с применением систем селективной пайки миниволной припоя сохраняются технологии пайки как поверхностно-монтируемых компонентов, так и компонентов, установленных в отверстия, обеспечивая тем самым высокое качество изделий.

Системы селективной пайки миниволной припоя отличаются от обычных систем пайки одинарной или двойной волной припоя тем, что в установках пайки второго типа происходит групповая пайка компонентов, то есть вся плата проходит через волну припоя. Система селективной пайки паяет соединения выборочно, в соответствии с заданной программой. Это происходит следующим образом: в машину загружается рабочая программа, печатная плата устанавливается в паллету, и запускается программа пайки. Транспортная система установки доставляет паллету с платой к модулю спрей-флюсования, который наносит дозы флюса на заданные точки, и к модулю предварительного нагрева. Затем паллета перемещается к паяльной насадке, где происходит пайка соединений в соответствии с заданной программой. Паллета с платой опускается к паяльной насадке и погружает выводы паяемых компонентов в миниволну припоя. Пайка может быть точечной - отдельных выводов компонентов, и линией - ряда выводов компонента. После выполнения программы пайки готовая плата возвращается в окно загрузки.

Системы пайки SPA 250 и SPA 400 предназначены для одно- и многоточечной селективной пайки в азотной среде монтируемых в отверстия компонентов, таких как разъемы, PGA, крупные компоненты, компоненты пленочной технологии и другие специальные компоненты на печатных платах размером до 400/400 мм, обеспечивая низкие затраты азота и качественное смачивание соединений припоем. Установки SPA 250 и SPA 400 оснащены микропроцессором с сенсорным дисплеем для управления температурой припоя, высотой волны, продолжительностью пайки, предварительным нагревом, перемещением по осям X, Y, Z, и спрей-флюсователем. Установки SPA 250/SPA 400 могут быть оснащены набором паяльных насадок для выполнения операций пайки всех типов компонентов.

печатный плата узел



Заключение

В ходе выполнения курсового проекта была проведена конструкторская разработка печатного узла с учетом требований помехоустойчивости. Также был рассчитан необходимый тепловой режим работы и произведено топологическое конструирование платы с расчет геометрических параметров рисунка.

В итоге, печатный узел оказался технологичен, т.к. комплексный показатель технологичности K=1,15, что значительно превышает предельное нормативное значение =0.5 для соответствующего класса блоков РЭА, следовательно, работа по повышению технологичности конструкции изделия не требуется.

Размещено на Allbest.ru

...