Датчик падающей и отраженной волны КВ РПДУ мощностью 200 Вт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время интенсивно развивается область техники - сверхширокополосные радиосистемы, в которых необходимым функциональным элементом являются сверхширокополосные усилители мощности. Для повышения коэффициента полезного действия сверхширокополосных усилителей мощности и их защиты от перегрузки по входу и от рассогласования по выходу используются датчики выходного напряжения и выходного тока. Однако настройка усилителя с использованием датчиков напряжения и тока затруднена их взаимным влиянием и необходимостью выравнивания их характеристик. Указанный недостаток может быть устранен благодаря применению датчика падающей и отраженной волны (ПОВ), включаемого между выходом усилителя и нагрузкой.

Датчики ПОВ используются в устройствах защиты усилителей мощности РПДУ от перегрузки по входу и от рассогласования по выходу и устройствах стабилизации их выходной мощности.

При разработке широкополосного датчика, предназначенного для работы внутри коротковолнового РПДУ с большой выходной мощностью, наиболее сложными являются следующие две проблемы: равномерность и корректность показаний в достаточно широком диапазоне частот (от 1,5 до 30 МГц) и мощностей; устойчивость к мощным электрическим и магнитным полям, которых предостаточно внутри мощного РПДУ.

Целью данного дипломного проекта является описание процесса разработки конструкции датчика ПОВ согласно техническому заданию на дипломное проектирование.

1. Схемотехническая часть

Анализ рассмотренных схемотехнических решений показал, что для построения датчика ПОВ могут использоваться два варианта:

· измерение ПОВ с помощью направленных ответвителей;

· измерение ПОВ с помощью датчика тока на ферритовом кольце.

К положительным качествам измерителя ПОВ с направленными ответвителями можно отнести конструктивную простоту выполнения, относительно несложный процесс наладки, при условии соблюдения точности изготовления. Однако необходимо отметить, что такое устройство является относительно узкополосным и применяется, как правило, на небольшом промежутке частот. Приборы с направленными ответвителями, у которых чувствительность меньше зависит от частоты, несколько сложнее в изготовлении, заметно сложнее в наладке и требуют применения достаточно дефицитных кольцевых магнитопроводов из высокочастотного феррита, применяемых в частотном корректоре датчика. Также к недостатку схемы с направленными ответвителями стоит отнести невысокую чувствительность, особенно за пределами рабочего диапазона. А такая необходимость может возникнуть при первоначальной настройке антенны.

Применение ферритового сердечника позволяет расширить частотный диапазон датчика, сравнительно с датчиками ПОВ, основанными на направленных ответвителях. Совместно с генератором стандартных сигналов и РПДУ измерители ПОВ с токовым трансформатором позволяют измерять уровни падающей и отражённой волны в широком диапазоне частот, измерять мощность, подводимую к нагрузке с достаточно высокой точностью.

Приборы такого типа получили широкое распространение, как у профессионалов, так и у радиолюбителей. Их общая схема примерно одинакова и имеет различия лишь в конструктивном исполнении.

Первые сведения о датчиках ПОВ на ферритовых трансформаторах относятся к середине прошлого века. Вариант схемы, взятый за основу, показан на рисунке 1.

Рисунок 1 - Обобщённая схема датчика ПОВ

Данную схему можно разделить на функциональные узлы:

а) датчик напряжения - ёмкостный делитель на С1 и С2 с выходным напряжением U_С, значительно меньшим, чем напряжение на линии U_Л.

б) токовый трансформатор Т1, намотанный на ферритовом кольцевом сердечнике. Его первичная обмотка имеет один виток в виде проводника, проходящего по центру кольца, вторичная - n витков, нагрузка по вторичной обмотке - резистор R1, выходное напряжение - 2U_T. Вторичную обмотку можно выполнить из двух отдельных обмоток с напряжением U_T каждая и со своим нагрузочным резистором, однако конструктивно удобнее сделать одну обмотку с отводом от середины;

в) детекторы на диодах VD1 и VD2, переключатель SA1 и вольтметр на микроамперметре РА1 с добавочными резисторами.

Вторичная обмотка трансформатора Т1 включена таким образом, что при подключении передатчика к левому по схеме соединителю, а нагрузки - к правому, на диод VD1 поступает суммарное напряжение U_С + U_T, а на диод VD2 - разностное. При подключении к выходу датчика ПОВ резистивной эталонной нагрузки с сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии, отраженная волна отсутствует и, следовательно, ВЧ напряжение на VD2 может быть нулевым. Это достигается в процессе балансировки прибора уравниванием напряжений U_T и U_С с помощью подстроечного конденсатора С1.

Точность датчика ПОВ, как измерительного прибора, зависит от ряда факторов, в первую очередь от точности балансировки прибора в положении SA1 «Отраженная волна» при R_H = Z₀. Идеальной балансировке соответствуют напряжения U_С и U_T равные по величине и строго противоположные по фазе, т.е. их разность равна нулю.

В подключенной к передатчику однородной фидерной линии с волновым сопротивлением Z₀, нагруженной на сопротивление Z_Н ? Z₀, возникают как падающая, так и отраженная волны. Коэффициентом отражения r (reflection) в общем виде называется отношение амплитуды отраженной от нагрузки волны к амплитуде падающей. Коэффициенты отражения по току r_i и по напряжению r_U равны отношению соответствующих величин в отраженной и падающей волнах, численно все три коэффициента равны. Фаза отраженного тока (по отношению к падающему) зависит от соотношения между Z_Н и Z₀. Если Z_Н > Z₀, отраженный ток будет противофазен падающему, а если Z_Н < Z₀, то синфазен. Коэффициент r_U имеет такую же величину, как и r_i, но знаки у них разные, т.е. фазы противоположные. Из-за этого стоячие волны, которые образуются на линии в результате суммирования падающей и отраженных волн, будут расположены таким образом, что в точке линии с максимумом волны тока будет минимум волны напряжения и наоборот. Коэффициент отражения r определяется формулой

(1)

где R_H и X_H, соответственно, активная и реактивная составляющие нагрузочного сопротивления Z_H. При чисто активной нагрузке Х_H = 0 формула упрощается

(2)

На рисунке 2а показано распределение напряжения U_Л и тока I_Л вдоль линии для этого случая (потери в линии не учитываются). Масштаб по оси ординат для тока принят в Z₀ раз больше, при этом получается одинаковый размер обоих графиков по вертикали.

а б

Рисунок 2 - Характеристики изменения напряжений на датчике

На рисунке 2а также показаны пунктиром графики напряжения U_Л0 и тока I_Л0 в виде прямой линии в случае, когда R_Н=Z₀. Взят участок линии длиной 1л, при большей длине картина будет циклично повторяться через каждые 0,5л. В тех точках линии, где фазы падающей и отраженной волн совпадают, напряжение максимально и равно

U_MAX = U_Л0 (1 + r) (3)

а в тех, где фазы противоположны - минимально

U_MIN = U_Л0 (1 - r) (4)

По определению

(5)

КСВ=(1+r)/(1-r), соответственно,

(6)

Отметим важную особенность - сумма максимального и минимального напряжений

U_MAX + U_MIN = U_Л0 (1 + r) + U_Л0 (1 - r) = 2U_Л0, а разность

U_MAX - U_MIN = 2rU_Л0.

По полученным значениям можно рассчитать мощность падающей волны и мощность отраженной волны:

(7)

(8)

Определение КСВ путем измерения напряжения вдоль участка линии в поисках значений U_MAX и U_MIN широко применялось в прошлом не только на открытых воздушных линиях, но и в мощных коаксиальных фидерах, преимущественно на УКВ. Для этого использовался измерительный участок фидера, имеющий длинную продольную щель, вдоль которой перемещалась тележка с вставленным в нее зондом - головкой ВЧ вольтметра.

КСВ линии можно также определить по результатам измерения тока I_Л в одном из проводов линии на участке длиной не более 0,5л. Зная максимальное и минимальное значения, можно вычислить КСВ по формуле

(9)

Для измерения тока широко применяют преобразователь ток-напряжение в виде токового трансформатора (ТТ) c определенным нагрузочным резистором, напряжение на котором U_T пропорционально и синфазно измеряемому току.

На рисунке 2б приведены совместно графики изменения U_Л и U'_Т вдоль линии, которые имеют одинаковые амплитуду и форму, но расположены со сдвигом 0,25л. Анализ этих кривых показывает, что можно определить r или КСВ при одновременном измерении величин U_Л и U'_Т в любом месте линии. В местах расположения максимумов и минимумов обеих кривых это очевидно: отношение этих величин U_Л/U'_Т (или U'_Т/U_Л) равно КСВ, сумма равна 2U_Л0, а разность равна 2rU_Л0. В промежуточных точках U_Л и U'_Т сдвинуты по фазе и их нужно складывать как векторы, однако приведенные выше соотношения сохраняются, так как отраженная волна напряжения всегда является обратной по фазе отраженной волне тока, а rU_Л0 = rU'_Т0.

Следовательно, прибор, содержащий вольтметр, калиброванный преобразователь ток-напряжение и схему сложения-вычитания, позволит определить такие параметры линии, как r или КСВ, а также Р_ПАД и Р_ОТР при включении в любом месте линии.

В качестве основы конструкции была выбрана схема измерения ПОВ с помощью датчика тока на ферритовом кольце, показанная на рисунке 3.



Рисунок 3 - схема подключения узла печатного А1 к датчику тока

Данная схема обладает достаточно высокой чувствительностью и особенно удобна для измерений на этапе настройки и согласования антенны. РПДУ подключается к ВЧ входу датчика, нагрузка - к ВЧ выходу. Сигналы Uпад и Uотр подаются на АЦП микроконтроллера РПДУ, где вычисляется КСВ тракта и подводимая к нагрузке мощность.



Рисунок 4 - Схема электрическая принципиальная узла печатного А1

На рисунке 4 изображена схема формирования сигналов падающей и отражённой волны, конструктивно выполненная в виде узла печатного А1. ВЧ сигнал с датчика тока (T1, R1…R12) и датчика напряжения (С1…С7 и конструктивная ёмкость отрезка кабеля) формируют сигналы падающей и отражённой волны, которые поступают на однополупериодные выпрямители (диоды VD1 и VD2). При прохождении через датчик относительно малых мощностей уровень падающей волны может быть недостаточным для полного открытия выпрямительных диодов. Для исключения этого явления в схеме через токоограничительный резистор R17 и LC-фильтр (L1C8) подаётся начальное смещение на диоды выпрямителя, потенциал которого определяется падением напряжения на диоде VD3. Вследствие чего выпрямительные диоды VD1 и VD2 постоянно поддерживаются в открытом состоянии. Выпрямленные сигналы сглаживаются фильтром, построенным на конденсаторах С9, С10. Для согласования выхода датчика ПОВ и АЦП микроконтроллера РПДУ, в моменты считывания имеющего низкоомное динамическое сопротивление, в схему устройства был введён операционный усилитель DA1, включенный по схеме повторителя напряжения. Он усиливает сигналы падающей и отражённой волны по току. Усиленные сигналы фильтруются (L3C12, L4C13) и поступают на АЦП микроконтроллера РПДУ, где происходит расчёт значения КСВ и проходящей мощности по определенному алгоритму. Для формирования напряжения минус 5 В, необходимого для питания операционного усилителя DA1, в схеме используется источник питания, выполненный на специализированной ИМС TSM0505S (DA2) [5].

Так как устройство будет использоваться в лабораторных условиях, дополнительных мер защиты от влаги и других климатических факторов не предусматривается. Достаточно использовать общие меры защиты.

Описание процесса настройки схемы

Настройка схемы происходила с применением измерителя мощности и КСВ R&S®NRT PowerReflectionMeter, используемого в качестве поверяющего прибора. Суть настройки заключалась в получении минимальных расхождений между КСВ и проходящей мощностью, рассчитанным по показаниям датчика ПОВ и показаниями поверяющего прибора. Основными параметрами настройки являются КСВ ВЧ тракта в рабочей полосе ?1,05; уровень падающей волны при проходящей мощности 100 Вт должен быть равен 2,33 В.

При настройке были использованы два эквивалента нагрузок: 50 Ом (КСВ=1) и 25 Ом (КСВ=2). Настройка происходила на частоте 10 МГц, на которой, как показала практика, РПДУ и нагрузка имеют наилучшее согласование по волновому сопротивлению. Значения Uпад и Uотр были измерены вольтметром на выходах операционного усилителя.

Значение КСВ может быть рассчитано по формуле:

(10)

где - постоянное смещение на диодах.

Проходящая мощность определяется из выражения:

(11)

Uпад.расч = 2,33 В-необходимое напряжение падающей волны при мощности 100 Вт,

Uнагр - напряжение на нагрузке при мощности 100 Вт (70,71 В),

Rн = 50 Ом - сопротивление нагрузки с КСВ=1.

Результаты расчетов и измерений сведены в таблицы 1 и 2.

Таблица 1 - показания датчика ПОВ на нагрузку 50 Ом

F, МГц	Uпад., В	Uотр., В	КСВ (по NRT)	P, Вт (по NRT)	КСВ расч.	Pрасч., Вт
1,5	2,337	0,128	1,02	100,5	1,11	101
5	2,331	0,134	1,01	100,1	1,12	100
10	2,33	0,148	1,01	100	1,13	100
15	2,335	0,164	1,01	100	1,15	100
20	2,349	0,18	1,01	99,7	1,16	102
25	2,359	0,196	1,01	100	1,18	103
30	2,363	0,212	1,01	99	1,19	103

Таблица 2 - показания датчика ПОВ на нагрузку 25 Ом

F, МГц	Uпад., В	Uотр., В	КСВ (по NRT)	P, Вт (по NRT)	КСВ расч.	P расч., Вт
1,5	2,078	0,767	2,01	82,7	2,17	80
5	2,345	0,804	2,01	101,3	2,04	101
10	2,342	0,829	2,01	100	2,09	101
15	2,35	0,868	2,02	100	2,17	102
20	2,361	0,898	2,03	100	2,19	103
25	2,338	0,893	2,03	97,8	2,19	101
30	2,334	0,871	2,03	96,8	2,19	100

Согласно данным, представленным в таблицах 1 и 2, значения, измеренные с помощью датчика и затем рассчитанные по приведённым формулам, достаточно хорошо согласуются с показаниями прибора NRT.

Кроме того, как выяснилось, на точность показаний датчика влияет множество факторов. В большей степени - ёмкость сглаживающих конденсаторов С9, С10; разброс номиналов сопротивлений резисторов R1-R10; точка подключения ёмкости С1-С7 к ВЧ кабелю.

Настройка ВЧ тракта производилась на векторном анализаторе электрических цепей R&S®ZVB4 и заключалась в получении минимального КСВ с наилучшей линейностью характеристики в рабочем диапазоне частот (от 1,5 до 30 МГц). На рисунке 5 приведена АЧХ датчика до настройки ВЧ тракта, на рисунке 6 - после настройки.



Рисунок 5 - АЧХ датчика ПОВ до настройки ВЧ тракта

Рисунок 6 - АЧХ датчика ПОВ после настройки ВЧ тракта

Для получения более линейной характеристики, а также снижения значения КСВ, в схему были введены компенсирующие ёмкости С1 = С2 = 4.7 пФ.

2. Конструкторская часть

В производстве изделий приборостроения, средств вычислительной техники и бытовой РЭА широко применяются печатные платы как средство, обеспечивающие автоматизацию монтажно-сборочных операций, снижение габаритных размеров аппаратуры, повышения ряда конструктивных и эксплуатационных качеств изделия.

При изготовлении печатных плат в зависимости от их конструктивных особенностей и масштабов производства применяются различные варианты технологических процессов, в которых используются многочисленные химико-технологические операции и операции механической обработки.

Электронные вычислительные машины являются одним из наиболее важных средств автоматизации производства и повышения качества продукций, а также служат основой наиболее перспективных технологий. Эффективное использование современных вычислительных и управляющих машин определяет уровень научно-технического прогресса во всех отраслях промышленности, сельском хозяйстве, научных исследованиях. Получение высоконадежных ЭВМ, содержащих большое число схемных деталей, решается путем отказа от использования дискретных элементов и замены их интегральными схемами.

Толщину двухсторонней печатной платы определяют толщиной выбранного материала, но в основном она лежит в пределах от 1.0 до 1.5 мм.

Для печатных проводников для двухсторонней печатной платы допускается плотность тока до 20 А/ммІ. Напряжение между проводниками зависит от величины минимального зазора меду ними. Для печатных плат, защищенных лаком, значение рабочего напряжения будет сравнительно больше.

Класс точности печатной платы определяется в зависимости от плотности проводящего рисунка и выбирается исходя из минимально допустимой ширины проводника: 0.75; 0.45; 0.25; 0.15; 0.10 мм.

В печатной плате при пересечении проводников получается электрический контакт. Если он не нужен, необходимо изменять линию проведения одного из проводников, либо один из проводников выполнять на другой стороне платы. Длина проводников должна быть минимальной. Рисунок проводников должен наилучшим способом использовать отведенную для него площадь. Для обеспечения гарантий от повреждения проводников при обработке минимальная ширина проводников должна быть 0,25 мм. При ширине проводника более 3 мм могут возникнуть трудности, связанные с пайкой. Чтобы при пайке не появилось мостиков из припоя, минимальный зазор между проводниками должен быть 0,5 мм. Монтажные и переходные металлизированные отверстия следует выполнять без зенковки, но для обеспечения надежного соединения металлизированного отверстия с печатным проводником вокруг него на наружных сторонах печатной платы со стороны фольги делают контактную площадку. Контактные площадки выполняют круглой или прямоугольной формы, а контактные площадки, обозначающие первый вывод активного навесного электрорадиоэлемента, выполняют по форме отличной от остальных.

Поверхностный монтаж - технология изготовления электронных изделий на печатных платах, а также связанные с данной технологией методы конструирования печатных узлов. Технологию поверхностного монтажа печатных плат также называют ТМП (технология монтажа на поверхность), SMT (surface mount technology) и SMD-технология (от surface mounted device - прибор, монтируемый на поверхность), а компоненты для поверхностного монтажа также называют чип-компонентами. Данная технология является наиболее распространенным на сегодняшний день методом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах. Основным ее отличием от «традиционной» технологии сквозного монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы, однако преимущества технологии поверхностного монтажа печатных плат проявляются благодаря комплексу особенностей элементной базы, методов конструирования и технологических приемов изготовления печатных узлов.

В нашей конструкции будет использоваться смешанный монтаж, примером которого является установка на верхней стороне платы и SMD компонентов, и компонентов, монтируемых в отверстия, а на нижней стороне - только SMD-компонентов. Как видно из рисунка 7, это самая сложная разновидность монтажа.

Рисунок 7 - Смешанный монтаж

Возможны различные варианты ее реализации. При одном из них сначала на нижнюю сторону печатной платы методом дозирования наносят клей, а на нанесенный клей устанавливают SMD-компоненты. После проведения контроля установки компонентов проводят отвердение клея в печи. На верхнюю сторону платы наносится паяльная паста, а на нее затем устанавливаются SMD-компоненты. Нанесение паяльной пасты возможно как методом трафаретной печати, так и методом дозирования. В последнем случае операции нанесения клея и паяльной пасты можно проводить на одном оборудовании, что сокращает затраты. Однако нанесение паяльных паст методом дозирования непригодно при промышленном производстве из-за низкой скорости и стабильности процесса по сравнению с трафаретной печатью и оправдано только в условиях отсутствия трафарета на изделие или нецелесообразности его изготовления. Такая ситуация может сложиться, например, при опытном производстве большой номенклатуры электронных модулей, когда из-за большого числа обрабатываемых конструктивов и малых серий затраты на изготовление трафаретов значительны.

После установки SMD-компонентов на верхнюю сторону платы производится их групповая пайка методом оплавления припойной пасты, нанесенной на трафаретном принтере или методом дозирования. После этой операции технологический цикл, связанный с установкой поверхностно монтируемых компонентов, считается завершенным.

Далее, после ручной установки компонентов в отверстия платы, производится совместная пайка всех SMD-компонентов, ранее удерживавшихся на нижней стороне платы при помощи отвержденного клея и уже установленных выводных компонентов. В конце технологического цикла выполняют операции визуальной проверки пайки и контроля.

При другом варианте реализации смешанного монтажа предполагается иная последовательность выполнения операций. Первым этапом является нанесение припойной пасты через трафарет, установка на верхней стороне платы сложных компонентов для поверхностного монтажа (корпуса типа SO, PLCC, BGA) и пайка расплавлением дозированного припоя. Затем, после установки компонентов в отверстия платы (с соответствующей обрезкой и фиксацией выводов), плата переворачивается, на нее наносится клей и устанавливаются компоненты простых форм для поверхностного монтажа (чип-компоненты, компоненты в корпусе SOT). Они и выводы компонентов, установленных в отверстия, одновременно пропаиваются двойной волной припоя. Возможно также использование в составе одной линии оборудования, обеспечивающего эффективную пайку компонентов (с верхней стороны платы) расплавлением дозированного припоя и пайку (с нижней стороны платы) волной припоя.

Необходимо отметить, что в технологическом процессе, реализующем смешанный монтаж, возрастает количество контрольных операций из-за сложности сборки при наличии компонентов на обеих сторонах платы. Неизбежно возрастают также количество паяных соединений и трудность обеспечения их качества.

Установку элементов на плату печатную А1 будем производить, руководствуясь РД 107.460.000.019-90 (кроме XP1). В таблице 3 приведены варианты установки для всех элементов узла печатного А1.

Таблица 3 Варианты установки элементов платы печатной А1

Позиционные обозначения элементов	Вариант установки
С1-C16, L1-L5, R1-R11, R13-R18	I
R12, VD1-VD3	III
DA1, DA2	V
XP1	Согласно ОСТ4.010.030-81 - до упора

Внутренняя и внешняя компоновка. Расчет площади рабочей зоны

Компоновка является наиболее сложной и ответственной задачей при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. Компоновка - это размещение в пространстве или на плоскости различных элементов изделия, имеющих электрические соединения между собой в соответствии с электрической принципиальной схемой и обеспечение минимума паразитных взаимодействий, при сохранении расчетных параметров аппаратуры. Компоновка, учитывающая особенности функционирования и эксплуатации изделия, электрические взаимодействия и взаимосвязи различных элементов изделия, тепловые режимы внутри изделия, геометрические размеры и форму отдельных элементов, называется внутренней. Компоновка, учитывающая факторы, связанные с требованиями инженерной психологии и технической эстетики, а также физиологические и анатомические параметры человека-оператора, называется внешней.

При разработке конструкции датчика ПОВ задача внутренней компоновки - разместить элементы схемы на печатной плате внутри корпуса. Задача внешней компоновки - эстетическое оформление внешнего вида устройства и размещение элементов внешнего подключения на корпусе устройства.

Элементы схемы устройства размещаются на плате в рабочей зоне. Кроме того, необходимо предусмотреть зоны расположения электрических соединителей и зоны расположения мест механического крепления платы в корпусе.

Узел печатный А1 имеет вырезы, обусловленные конструкцией корпуса датчика ПОВ: 4 выреза для колонок крепления крышки, 1 - для выводов трансформатора ВЧ тракта.

Исходя из полученных размеров платы, была выполнена компоновка элементов узла печатного датчика ПОВ, изображенная на рисунке 8, трассировка верхнего слоя платы на рисунке 9а, на рисунке 9б изображена трассировка нижнего слоя платы.

Рисунок 8 - Компоновка элементов схемы



а

б

Рисунок 9 - Трассировка верхнего (а) и нижнего (б) слоев

На рисунке 10 изображено расположение электрических элементов на плате печатной.

Рисунок 10 - Трёхмерная модель узла печатного А1

На рисунке 11 изображена трёхмерная модель датчика ПОВ. Из рисунка видно, что ВЧ соединители расположены на противоположенных сторонах корпуса. Это обусловлено упрощением конструкции.



Рисунок 11 - Трёхмерная модель датчика ПОВ

Трёхмерная модель выполнялась совместно в программных пакетах P-CAD 2002 и SolidWorks 2013.

3. Технологическая часть

Проанализировав принципиальную схему, а также топологию было установлено, что данный узел можно выполнить на двухсторонней печатной плате, не требующей высокой плотности монтажа. В настоящее время для изготовления односторонних и двусторонних печатных плат наибольшее распространение получили три метода: химический, электрохимический (полуаддитивный), комбинированно позитивный. Химический метод широко применяется в производстве не только односторонних печатных плат, но и для изготовления внутренних слоев многослойных печатных плат, а также гибких. Основным преимуществом химического метода является простота и малая длительность технологического цикла, что облегчает автоматизацию, а недостатком отсутствие металлизированных отверстий и низкое качество. Электрохимический (полуаддитивный) метод дороже, требует большого количества специализированного оборудования, менее надежен. Комбинированно позитивный метод основан на химическом и электрохимическом методах. Позволяет получить проводники повышенной точности. Преимуществом позитивного комбинированного метода по сравнению с негативным, является хорошая адгезия проводника, повышенная надежность монтажных и переходных отверстий, высокие электроизоляционные свойства. Последнее объясняется тем, что при длительной обработке в химически агрессивных растворах (растворы химического меднения, электролиты и др.) диэлектрическое основание защищено фольгой.

Проанализировав все методы, выбран метод комбинированно позитивный, т.к. по сравнению с химическим он обладает лучшим качеством изготовления, достаточно хорошими характеристиками, что необходимо в измерительной аппаратуре и есть возможность реализации металлизированных отверстий. Печатные проводники должны выполняться прямоугольной формы параллельно сторонам платы и координатной сетки или под углом к ним. Ширина проводника должна быть одинаковой по всей длине. Расстояние между неизолированными корпусами электрорадиоэлементов, между корпусами и выводами, между выводами соседних электрорадиоэлементов или между выводом и любой токопроводящей деталью следует выбирать с учетом допустимой разностью потенциалов между ними и предусматриваемого теплоотвода, но не менее 1 мм (для изолированных деталей не менее 0,5 мм). Расстояние между корпусом электрорадиоэлементом и краем печатной платы не менее 1 мм, между выводом и краем печатной платы не менее 2 мм, между проводником и краем печатной платы не менее 1 мм.

Для изготовления печатной платы необходимо выбрать следующие материалы: материал для диэлектрического основания печатной платы, материал для печатных проводников и материал для защитного покрытия от воздействия влаги. Сначала определяется материал для диэлектрического основания.

Существует большое разнообразие фольгированных медью слоистых пластиков. Их можно разделить на две группы:

- на бумажной основе;

- на основе стеклоткани.

Эти материалы в виде жестких листов формируются из нескольких слоев бумаги или стеклоткани, скрепленных между собой связующим веществом путем горячего прессования. Связующим веществом обычно являются фенольная смола для бумаги или эпоксидная для стеклоткани. В отдельных случаях могут также применяться полиэфирные, силиконовые смолы или фторопласт. Слоистые пластики покрываются с одной или обеих сторон медной фольгой стандартной толщины. Характеристики готовой печатной платы зависят от конкретного сочетания исходных материалов, а также от технологии, включающей и механическую обработку плат. В зависимости от основы и пропиточного материала различают несколько типов материалов для диэлектрической основы печатной платы.

Фенольный гетинакс - это бумажная основа, пропитанная фенольной смолой. Гетинаксовые платы предназначены для использования в бытовой аппаратуре, поскольку очень дешевы.

Эпоксидный гетинакс - это материал на такой же бумажной основе, но пропитанный эпоксидной смолой.

Эпоксидный стеклотекстолит - это материал на основе стеклоткани, пропитанный эпоксидной смолой. В этом материале сочетаются высокая механическая прочность и хорошие электрические свойства.

Как правило, слоистые пластики на фенольном, а также эпоксидном гетинаксе не используются в платах с металлизированными отверстиями. В таких платах на стенки отверстий наносится тонкий слой меди. Так как температурный коэффициент расширения меди в 6-12 раз меньше, чем у фенольного гетинакса, имеется определенный риск образования трещин в металлизированном слое на стенках отверстий при термоударе, которому подвергается печатная плата в оборудовании для групповой пайки. Трещина в металлизированном слое на стенках отверстий резко снижает надежность соединения. В случае применения эпоксидного стеклотекстолита отношение температурных коэффициентов расширения примерно равно трем, и риск образования трещин в отверстиях достаточно мал. Из сопоставления характеристик оснований следует, что (за исключением стоимости) основания из эпоксидного стеклотекстолита превосходят основания из гетинакса. Печатные платы из эпоксидного стеклотекстолита характеризуются меньшей деформацией, чем печатные платы из фенольного и эпоксидного гетинакса. Последние имеют степень деформации в десять раз больше, чем стеклотекстолит.

В качестве фольги, используемой для фольгирования диэлектрического основания, можно использовать медную, алюминиевую или никелевую фольгу. Однако алюминиевая фольга уступает медной из-за плохой паяемости, а никелевая - из-за высокой стоимости. Поэтому в качестве проводящего слоя на печатных платах чаще всего выбирается медная фольга.

Медная фольга выпускается различной толщины. Стандартные толщины фольги наиболее широкого применения - 17,5; 35; 50; 70; 105 мкм. Во время травления меди по толщине травитель воздействует также на медную фольгу со стороны боковых кромок под фоторезистом, вызывая так называемое подтравливание. Чтобы его уменьшить обычно применяют более тонкую медную фольгу толщиной 35 и 17,5 мкм. Поэтому была выбрана медная фольга толщиной 35 мкм.

Исходя из всех вышеперечисленных сравнений, для изготовления печатной платы позитивным комбинированным способом выбран фольгированный стеклотекстолит СФТ-2-35-1,5 ТУ ОЯШ.503.213-91. Самый распространенный и дешевый способ защиты гетинаксовых и стеклотекстолитовых печатных плат - покрытие их бакелитовыми, эпоксидными и другими лаками или эпоксидной смолой. Наиболее стойко к действию влаги покрытие из эпоксидной смолы, обеспечивающее самое высокое поверхностное сопротивление. Несколько хуже защитные свойства перхлорвиниловых, фенольных и эпоксидных лаков. Плохо защищает покрытие из полистирола, но в отличие от остальных, при помещении изделия в нормальные условия оно быстро восстанавливает свои свойства. Для аппаратуры, работающей в тропических условиях, в качестве защитного покрытия применяют лак на основе эпоксидной смолы Э-4100. Перед покрытием в лак добавляют 3,5% отвердителя, смешивают и разводят смесью, состоящей из ацетона, этилцеллозольва и ксилола до вязкости от 18 до 20 по вискозиметру ВЗ-4. После смешивания жидкость фильтруют через марлю, сложенную в несколько слоев. В полученную смесь погружают чистую высушенную аппаратуру. После каждого погружения стряхивают излишки смеси и ставят сушить на 10 мин, таким образом наносят шесть слоев. Это покрытие обладает малой усадкой и плотной структурой.

Фольгированные диэлектрики выпускаются размерами от 1000 до 1200 мм, поэтому первой операцией практически любого технологического процесса является резка заготовок. Для резки фольгированных диэлектриков используют роликовые одноножевые, многоножевые и гильотинные прецизионные ножницы. На одноножевых роликовых ножницах можно получить заготовки размером от 50х50 до 500х900 мм при толщине материала от 0,025 до 3 мм. Скорость резания плавно регулируется в пределах от 2 до 13,5 м/мин. Погрешность резания ±1,0 мм. Для удаления пыли, образующейся при резании заготовки, ножницы оборудованы пылесосом. Из листов фольгированного диэлектрика одноножевыми роликовыми ножницами нарезается заготовки требуемых размеров с припуском на технологическое поле по 10 мм с каждой стороны. Далее с торцов заготовки необходимо снять напильником заусенцы во избежание повреждения рук во время технологического процесса. Качество снятия заусенцев определяется визуально.

Базовые отверстия необходимы для фиксации платы во время технологического процесса. Сверловка отверстий является разновидностью механической обработки. Это одна из самых трудоемких и важных операций. При выборе сверлильного оборудования необходимо учитывать следующие основные особенности: изготовление нескольких тысяч отверстий в смену, необходимость обеспечения перпендикулярных отверстий поверхности платы, обработка плат без заусенцев. При сверлении важнейшими характеристиками операции являются: конструкция сверлильного станка, геометрия сверла, скорость резания и скорость осевой подачи. Для правильной фиксации сверла используются специальные высокоточные кондукторы. Кроме того, необходимо обеспечить моментальное удаление стружки из зоны сверления. Как известно, стеклотекстолит является высокоабразивным материалом, поэтому необходимо применять твердосплавные свёрла. Применение свёрл из твердого сплава позволяет значительно повысить производительность труда при сверлении и улучшить чистоту обработки отверстий. В большинстве случаев заготовки сверлят в пакете, высота пакета до 6 мм. Резка заготовок не должна вызывать расслаивания диэлектрического основания, образования трещин, сколов, а также царапин на поверхности заготовок.

От состояния поверхности фольги и диэлектрика во многом определяется адгезия наносимых впоследствии покрытий. Качество подготовки поверхности имеет важное значение как при нанесении фоторезиста, так и при осаждении металла. Широко используют химические и механические способы подготовки поверхности или их сочетание. Консервирующие покрытия легко снимаются органическим растворителем, с последующей промывкой в воде и сушкой. Окисные пленки, пылевые и органические загрязнения удаляются последовательной промывкой в органических растворителях (ксилоле, бензоле, хладоне) и водных растворах фосфатов, соды, едкого натра.

Удаление оксидного слоя толщиной более 0,5 мкм производят механической очисткой крацевальными щетками или абразивными валками. Недостаток этого способа - быстрое зажиривание очищающих валков, а затем, и очищающей поверхности. Часто для удаления оксидной пленки применяют гидроабразивную обработку. Высокое качество зачистки получают при обработке распыленной абразивной пульпой. Гидроабразивная обработка удаляет с фольги заусенцы, образующиеся после сверления, и очищает внутренние медные торцы контактных площадок в отверстиях многосторонних печатных плат от эпоксидной смолы.

Высокое качество очистки получают при сочетании гидроабразивной обработки с использованием водной суспензии и крацевания. На этом принципе работают установки для зачистки боковых поверхностей заготовок и отверстий печатных плат нейлоновыми щетками и пемзовой суспензией.

Наиболее трудоемкий и сложный процесс в механической обработке печатных плат - получение отверстий под металлизацию. Их выполняют главным образом сверлением, так как сделать отверстия штамповкой в применяемых для производства плат стеклопластиках трудно. Для сверления стеклопластиков используют твердосплавный инструмент специальной конструкции. Применение инструмента из твердого сплава позволяет значительно повысить производительность труда при сверлении и зенковании и улучшить чистоту обработки отверстий. Чаще всего сверла изготавливают из твердоуглеродистых сталей марки У-10, У-18, У-7. В основном используют две формы свёрла: сложнопрофильные и цилиндрические. Так как стеклотекстолит является высокоабразивным материалом, то стойкость свёрл невелика. Так, например, стойкость тонких свёрл - около 10 000 сверлений.

При выборе сверлильного оборудования необходимо учитывать такие особенности, как изготовление нескольких миллионов отверстий в смену, диаметр отверстий 0,4 мм и меньше, точность расположения отверстий 0,05 мм и выше, необходимость обеспечения абсолютно гладких и перпендикулярных отверстий поверхности платы, обработка плат без заусенцев и так далее. Точность и качество сверления зависит от конструкции станка и сверла.

В настоящее время используют несколько типов станков для сверления печатных плат. В основном это многошпиндельные высокооборотные станки с программным управлением, на которых помимо сверлений отверстий в печатных платах одновременно производится и зенкование или сверление отверстий в пакете без зенкования.

Широко применяется также одношпиндельный полуавтомат, который может работать как с проектором, так и со щупом. На станке можно обрабатывать заготовки плат максимальным размером 520х420 мм при толщине пакета 12 мм. Частота вращения шпинделя от 15000 до 30000 об/мин (изменяется ступенчато). Максимальный диаметр сверления 2,5 мм.

Более производительным является четырехшпиндельный станок с программным управлением, на котором можно одновременно обрабатывать одну, две или четыре (в зависимости от размера) печатных плат по заданной программе. Станок обеспечивает частоту вращения шпинделя от 10000 до 40000 об/мин, максимальную подачу шпинделя 1000 об/мин, толщину платы или пакета от 0,1 до 3,0 мм, диаметр сверления от 0,5 до 2,5 мм. Регулировка частоты вращения шпинделя бесступенчатая.

Разработан специальный полуавтоматический станок с программным управлением, предназначенный для сверления и двустороннего зенкования отверстий в многослойных печатных платах (МПП). Станок имеет позиционную систему программного управления с релейным блоком и контактным считыванием. Полуавтомат имеет два шпинделя - сверлильный и зенковальный. Частота вращения первого бесступенчато может изменяться в пределах от 0 до 33000 об/мин, второй шпиндель имеет постоянную частоту вращения 11040 об/мин. На станке возможно вести обработку плат размером 350х220 мм, толщиной от 0,2 до 4,5 мм. Максимальный диаметр сверления 2,5 мм, зенкования - 3,0 мм. Скорость подачи шпинделей: сверлильного - 1960 мм/мин, зенковального - 1400 мм/мин. Совершенствование сверлильного оборудования для печатных плат ведется в следующих направлениях: увеличения числа шпинделей; повышения скорости их подачи и частоты вращения; упрощения методов фиксации плат на столе и их совмещение; автоматизации смены сверла; уменьшения шага перемещения; увеличение скорости привода; создание систем, предотвращающих сверление отверстий по незапрограммированной координате с повторным сверлением по прежней координате; перехода на непосредственное управление станка от ЭВМ.

Сверление не исключает возможности получения отверстий и штамповкой, если это допускается условиями качества или определяется формой отверстий. Так, штамповкой целесообразно изготавливать отверстия в односторонних платах не требующих высокого качества под выводы элементов и в слоях МПП, изготавливаемых методом открытых контактных площадок, где перфорационные окна имеют прямоугольную форму.

Химическое меднение является первым этапом металлизации отверстий. При этом возможно получение плавного перехода от диэлектрического основания к металлическому покрытию, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. Процесс химического меднения основан на восстановлении ионов двухвалентной меди из ее комплексных солей. Толщина слоя химически осажденной меди от 0,2 до 0,3 мкм. Химическое меднение можно проводить только после специальной подготовки - каталитической активации, которая может проводиться одноступенчатым и двухступенчатым способом.

При двухступенчатой активации печатную плату сначала обезжиривают, затем декапируют торцы контактных площадок. Далее следует первый шаг активации - сенсибилизация, для чего платы опускают на 2-3 мин в соляно-кислый раствор дихлорида олова. Второй шаг активации - палладирование, для чего платы помещают на 2-3 мин в соляно-кислый раствор дихлорида палладия. Адсорбированные атомы палладия являются высокоактивным катализатором для любой химической реакции.

При одноступенчатой активации предварительная обработка (обезжиривание и декапирование) остается такой же, а активация происходит в коллоидном растворе, который содержит концентрированную серную кислоту и катионы палладия при комнатной температуре.

Перед гальваническим меднением необходимо снять слой защитного лака с поверхности платы. В зависимости от применяемого лака существуют различные растворители. Некоторые лаки возможно снять ацетоном.

Слой химически осажденной меди обычно имеет небольшую толщину (от 0,2 до 0,3 мкм), рыхлую структуру, легко окисляется на воздухе, непригоден для токопрохождения, поэтому его защищают гальваническим наращиванием («затяжкой») от 1 до 2 мкм гальванической меди. Для этого необходимо декапировать платы в 5%-ном растворе соляной кислоты в течение 1-3 с, промыть платы в холодной проточной воде в течение 2-3 мин при, зачистить платы венской известью в течение 2-3 мин, промыть платы в холодной проточной воде в течение 2-3 мин, снова декапировать заготовки в 5%-ном растворе соляной кислоты в течение 1-3 с, промыть платы в холодной проточной воде в течение 1-2 мин, промыть платы в дистиллированной воде в течение 1-2 мин, произвести гальваническую затяжку в течение 10-15 мин, промыть платы холодной проточной водой в течение 1-2 мин, сушить платы сжатым воздухом до полного их высыхания, контролировать качество гальванической затяжки (отверстия не должны иметь дефектов покрытия, осадок должен быть плотный, розовый, мелкокристаллический).

После гальванической затяжки слой осажденной меди имеет толщину от 1 до 2 мкм. Электролитическое меднение доводит толщину в отверстиях до 25 мкм, на проводниках - от 40 до 50 мкм.

Электролитическое меднение включает в себя следующие операции: ретушь под микроскопом краской беличьей кистью; декапирование плат в 5%-ном растворе соляной кислоты в течение 1-3 с; промывка плат холодной проточной водой в течение 1-2 мин; зачистка плат венской известью в течение 2-3 мин; промывка плат холодной проточной водой в течение 1-2 мин; декапирование плат в 5%-ном растворе соляной кислоты в течение 1 мин; промыть платы холодной проточной водой в течение 1-2 мин; произвести гальваническое меднение в растворе борфтористоводородной кислоты, борной кислоты, борфтористоводородной меди и дистиллированной воды в течение 80-90 мин; промыть платы холодной проточной водой в течение 1-2 мин; произвести визуальный контроль покрытия (покрытие должно быть сплошным без подгара, не допускаются механические повреждения, отслоения и вздутия).

Чтобы при травлении проводники и контактные площадки не стравливались их необходимо покрыть защитным металлическим покрытием. Существует различные металлические покрытия (в основном сплавы), применяемые для защитного покрытия. В данном технологическом процессе применяется сплав олово-свинец. Сплав олово-свинец стоек к воздействию травильных растворов на основе персульфата аммония, хромового ангидрида и других, но разрушается в растворе хлорного железа, поэтому в качестве травителя раствор хлорного железа применять нельзя. Для нанесения защитного покрытия необходимо промыть платы дистиллированной водой в течение 1-2 мин, затем произвести гальваническое покрытие сплавом олово-свинец в растворе борфтористоводородной кислоты, борной кислоты, мездрового клея, нафтохинондисульфоновой кислоты, 25%-ного аммиака, металлического свинца, металлического олова, гидрохинона и дистиллированной воды в течение 12-15 мин, промыть платы в горячей проточной воде в течение 1-2 мин, промыть платы в холодной водопроводной воде в течение 1-2 мин, сушить платы сжатым воздухом в течение 2-3 мин, удалить ретушь ацетоном с поля платы, контролировать качество покрытия (покрытие должно быть сплошным без подгара, не допускаются механические повреждения, отслоения и вздутия).

Перед операцией травления фоторезист с поверхности платы необходимо снять. При большом объеме выпуска плат это следует делать в установках снятия фоторезиста. При небольшом количестве плат фоторезист целесообразней снимать в металлической кювете щетинной кистью в растворе хлористого метилена.

В данном технологическом процессе фоторезист снимается в установке снятия фоторезиста в течение 5-10 мин, после этого необходимо промыть платы в холодной проточной воде в течение 2-5 мин.

Травление предназначено для удаления незащищенных участков фольги с поверхности платы с целью формирования рисунка схемы. Существует несколько видов травления: травление погружением, травление с барботажем, травление разбрызгиванием, травление распылением. Травление с барботажем заключается в создании в объеме травильного раствора большого количества пузырьков воздуха, которые приводят к перемешиванию травильного раствора во всем объеме, что способствует увеличению скорости травления.

Существует также несколько видов растворов для травления: раствор хлорного железа, раствор персульфата аммония, раствор хромового ангидрида и другие. Чаще всего применяют раствор хлорного железа.

Скорость травления больше всего зависит от концентрации раствора. Наилучшие результаты травления получаются при плотности раствора 1,3 г/см³. Процесс травления зависит также и от температуры травления. При температуре выше 250°С процесс ускоряется, но портится защитная пленка. При комнатной температуре медная фольга растворяется за 30 сек до 1 мкм.

В данном технологическом процессе в качестве защитного покрытия использован сплав олово-свинец, который разрушается в растворе хлорного железа. Поэтому в качестве травильного раствора применяется раствор на основе персульфата аммония.

Осветление покрытия олово-свинец проводится в растворе двухлористого олова, соляной кислоты и тиомочевины. Для этого необходимо погрузить плату на 2-3 мин в раствор осветления при температуре 60-70°С, промыть платы горячей проточной водой в течение 2-3 мин при температуре 55±5°С, промыть платы холодной проточной водой в течение 1-2 мин при температуре 18±5°С, промыть платы дистиллированной водой в течение 1-2 мин при температуре 18±5°С.

Оплавление печатной платы производится с целью покрытия проводников и металлизированных отверстий оловянно-свинцовым припоем. Наиболее часто применяют конвейерную установку инфракрасного оплавления.

Для оплавления печатных плат необходимо высушить платы в сушильном шкафу в течение 1 часа при температуре 80±5°С, затем флюсовать платы флюсом в течение 1-2 мин при температуре 20±5°С, выдержать платы перед оплавлением в сушильном шкафу в вертикальном положении в течение 15-20 мин при температуре 80±5°С, подготовить установку оплавления согласно инструкции по эксплуатации, загрузить платы на конвейер установки, оплавить плату в течение 20 мин при температуре 50±10°С, промыть платы от остатков флюса горячей проточной водой в течение 1-2 мин при температуре 50±10°С, промыть плату холодной проточной водой в течение 1-2 мин при температуре 20±5°С, промыть плату дистиллированной водой в течение 1-2 мин при температуре 20±5°С, сушить платы в течение 45 мин при температуре 85±5°С в сушильном шкафу, контролировать качество оплавления на поверхности проводников и в металлизированных отверстиях визуально.

Проводники должны иметь блестящую гладкую поверхность. Допускается на поверхности проводников наличие следов кристаллизации припоя и частично непокрытые торцы проводников.

Не допускается отслаивание проводников от диэлектрической основы и заполнение припоем отверстий. Не допускается наличие белого налета от плохо отмытого флюса на проводниках и в отверстиях печатной платы.

Механическая обработка необходима для обрезки печатных плат по размерам (отрезка технологического поля) и снятия фаски. Существует несколько способов механической обработки печатных плат по контуру.

Бесстружечная обработка печатных плат по контуру отличается низкими затратами при использовании специальных инструментов. При этом исключается нагрев обрабатываемого материала. Обработка осуществляется дисковыми ножницами. Линия реза должна быть направлена так, чтобы не возникло расслоения материала. Внешний контур односторонних печатных плат при больших сериях формируется на скоростных прессах со специальным режущим инструментом. Многосторонние печатные платы бесстружечным методом не обрабатываются, так как велика возможность расслоения.

Механическая обработка печатных плат по контуру со снятием стружки осуществляется на специальных дисковых пилах, а также на станках для снятия фаски. Эти станки снабжены инструментами или фрезами из твердых сплавов или алмазными инструментами. Скорость резания таких станков от 500 до 2000 мм/мин. эти станки имеют следующие особенности: высокую скорость резания, применение твердосплавных или алмазных инструментов, резка идёт с обязательным равномерным охлаждением инструмента, обеспечение незначительных допусков, простая и быстрая замена инструмента.

Широко используют широкоуниверсальный фрезерный станок повышенной точности типа 675П. На станке выполняют фрезерные работы цилиндрическими, дисковыми, фасонными, торцовыми, концевыми, шпоночными и другими фрезами.

...