Altera и Xilinx яростно соревновались за долю рынка, временами перегоняя друг друга. Но в течение последних 15 лет их битва за превосходство на рынке FPGA, в которой использовалась стратегия получения преимущества на основе постепенных эволюционных усовершенствований продукта, привела к застою на рынке заказных систем на кристалле. Изменения в лучшем случае добавляли несколько новых функций в FPGA верхнего ценового диапазона. Это послужило причиной того, что использование FPGA сегодня ограничивается по большей части инфраструктурой связи и оборонными применениями, в которых стоимость является менее критичным фактором.

Основное достоинство FPGA, во всяком случае тех, что основаны на SRAM, -- программируемость; но наличие такой возможности сказывается на цене. Матрица переключателей в FPGA и огромное количество межсоединений, требующихся для программирования структуры, являются причиной их ограниченного применения из-за высокой стоимости, снижения производительности и значительного статического и динамического потребления, что связано с наличием в конфигурации SRAM большого числа элементов и металлических межсоединений.

Похоже, что без внешнего воздействия FPGA и дальше пойдут путем постепенных эволюционных усовершенствований, что будет препятствовать развитию инноваций в отрасли. С 2000 г. средний показатель ежегодного роста производства FPGA выражался единицами процентов по сравнению с ежегодным ростом на 20% между 1990 и 2000 гг.

Стоимость производства ПП

Воспользуемся калькулятор для расчета стоимости производства мелкой партии (20 штук).

Рис 4 Данные для расчета

В результате получены следующие цифры

Рис 5 Результаты расчета

Итого мы получаем что средняя стоимость производтсва 20 печатных плат получается в районе 18.000 тысяч рублей. Однако тут не учитывается стоимость электронных компонентов.

4.5 Обеспечение БЖД при сборке и монтажа, общие вопросы

Наиболее распространенным методом создания электрических цепей в радиоэлектронной, электронно-вычислительной и электротехнической аппаратуре является применение печатного монтажа.

В таблице ниже приведен перечень используемых материалов и загрязняющих веществ при изготовлении ПП.

Выполнение заготовительных операций и получение монтажных и переходных отверстий в ПП связано с эксплуатацией специального оборудования, а именно: штампов на эксцентриковых прессах, одно- и многоножевых роликовых ножниц, гильотинных ножниц, одно- и многошпиндельных сверлильных станков. Выполнение этих операций сопряжено с опасностью повреждения рук работающего в случае попадания их в рабочую зону, в частности, между верхним и нижним ножом гильотинных ножниц при ручной подаче материала.

Наибольшую опасность представляет работа пресса в автоматическом режиме, требующая большого напряжения, внимания и осторожности работающего, так как всякое замедление движения рабочего может привести к травматизму. Во избежание попадания рук рабочего в опасную зону применяют систему двурукого включения, при которой пресс включается только после одновременного нажатия обеими руками двух пусковых кнопок.

Используемые материалы и выделения загрязняющих веществ при изготовлении ПП

В прессах и ножницах с ножными педалями для предотвращения случайных включений педаль ограждают или делают запорной. Часто, кроме этого, опасную зону у прессов ограждают при помощи фотоэлементов, сигнал от которых автоматически останавливает пресс, если руки рабочего оказались в опасной зоне. При ручной подаче заготовок необходимо применять специальные приспособления: пинцеты, крючки и т.д.

Радикальным решением вопроса безопасности является механизация и автоматизация подачи и удаления заготовок из штампа, в том числе с использованием средств робототехники.

Во избежание травм при работе на сверлильных станках необходимо следить за тем, чтобы все ремни, шестерни и валы, если они размещены в корпусе стайка и доступны для прикосновения, имели жесткие неподвижные ограждения. Движущиеся части и механизмы оборудования, требующие частого доступа для осмотра, ограждаются съемными или открывающимися устройствами ограждения. В станках без электрической блокировки должны быть приняты меры, исключающие возможность случайного или ошибочного их включения во время осмотра.

Во избежание захвата одежды и волос рабочего его одежда должна быть заправлена так, чтобы не было свободных концов; обшлага рукавов следует застегнуть, волосы убрать под берет.

Образующуюся при сверлении, резке материала заготовок ПП пыль необходимо удалять с помощью промышленных пылесосов.

Подготовка поверхностей к проведению технологических операций осуществляется на многих этапах процесса производства ПП и включает: 1) механическую или комбинированную очистку поверхности от оксидов, остатков смазки и других загрязнений; 2) щелочное обезжиривание поверхности моющими средствами; 3) водную промывку; 4) декапирование в растворе кислоты; 5) промывку в холодной и горячей воде; 6) сушку поверхности.

Для химической подготовки поверхности применяют растворы, содержащие тринатрийфосфат, кальцированную соду, соляную и серную кислоты и др., которые оказывают вредное воздействие на организм человека. Поэтому ручную и механическую химическую подготовку поверхности ПП следует проводить в соответствии с требованиями безопасности при работе с химическими веществами.

Для автоматизации и механизации этого процесса отечественные и зарубежные фирмы выпускают наборы отдельных взаимозаменяемых модулей различных размеров и различной производительности, соединенных конвейерными автооператорными транспортирующими устройствами. Это позволяет не только повысить производительность труда, но и полностью исключить возможность контакта работающих с вредными веществами.

Химическая металлизация ПП заключается в последовательности химических реакций осаждения меди, используемой в качестве подслоя при нанесении основного слоя токопроводящего рисунка гальваническим способом.

Для придания диэлектрической основе IIII способности к металлизации производят подготовительные операции - сенсибилизацию и активацию поверхности, выполнение которых связано с работой с агрессивными и раздражающими веществами (соляной кислотой, водным аммиаком).

Для химической металлизации ПП применяют разбавленные растворы с невысокими концентрациями основных компонентов, в число которых входят, например, гидроокись натрия, раствор формалина, мористый никель, сернокислая медь, углекислый натрий.

Химическое меднение ПП производится в специальных линиях с набором ванн необходимого размера, выполненных из химически стойких материалов. Ванны должны быть оборудованы устройствами фильтрации и дозировки растворов, системами поддержания заданной температуры, а также бортовыми отсосами, не допускающими распространения паров растворов по объему производственного помещения.

Для исключения непосредственного участия человека в процессе химической металлизации все чаще применяют автоматизированные системы управления технологическим процессом.

При проведении гальванической металлизации металлизируемые платы, закрепленные на специальных подвесках - токоподводах, помещают в гальваническую ванну с электролитами между анодами, выполненными из металла необходимого покрытия. Гальванические ванны должны быть оборудованы бортовыми отсосами, так как пары электролита и продуктов химических реакций могут оказывать вредное воздействие на организм работающего.

Вредность электролита определяется природой веществ, входящих в его состав. Так, для гальванического меднения используются следующие вещества, работа с которыми требует соблюдения соответствующих мер безопасности: борфтористая медь, борфтористоводородная кислота, борная кислота. Наличием вредных веществ характеризуется также состав (качественный) электролита для нанесения покрытия олово-свинец: олово борфтористое, свинец борфтористый, кислота борфтористоводородная, борная кислота.

При обслуживании оборудования для гальванической металлизации необходимо, кроме того, соблюдать меры электробезопасности и постоянно следить за надежностью заземления.

Нанесение рисунка схемы на ПП или на их слои необходимо для получения защитной маски требуемой конфигурации при осуществлении процессов металлизации и травления проводящего рисунка. Вследствие жестких требований, предъявляемых к рисунку, производственные помещения, где происходит процесс его нанесения, должны быть кондиционируемыми, обеспыленными, закрытыми для посещения лицами, не связанными с выполнением этой операции. При этом относительная влажность должна составлять 65 ± 5%, температура воздуха 18-25 °С, содержание пыли не более 100 частиц размером 2 мкм на 1 л воздуха.

Фотолитографический метод нанесения рисунка схемы с позиций охраны труда рассмотрен ранее. Его осуществление связано с использованием фоторезиста, ИК-излучения для его сушки, УФ-излучения с длиной волны 365 нм для экспонирования, вредных для человека химический веществ, используемых для дубления фоторезиста. Поэтому здесь справедлива инструкция но безопасности (с учетом специфики технологического оборудования), применяемая для участков фотолитографии.

При изготовлении IIII важным этапом формирования проводящего рисунка схемы является процесс травления (удаления) меди с непроводящих (пробельных) участков схемы.

В промышленности для травления плат, проводящий рисунок которых защищен сеткографическим способом или фоторезистом, применяют растворы хлорного железа и кислые растворы на основе хлорной меди. Хотя данный травитель имеет меньшую токсичность по сравнению с другими типами травителей, тем не менее при работе с ним требуется использование индивидуальных средств защиты кожных покровов рук.

Пары солей меди оказывают раздражающее действие на дыхательные пути, а попадание растворов солей внутрь способствует образованию язв желудка.

Более токсичным является травитель, используемый для травления меди с плат, проводящий рисунок которых защищен металлорезистом, так как его основу составляют серная кислота, трисульфат аммония, а процесс травления происходит при температуре 50-55 "С.

Операция травления проводится с обязательным использованием системы местной вытяжной вентиляции, кроме того, производственные помещения должны быть оборудованы системой общеобменной вентиляции.

Глава 5. Моделирование

5.1 Подготовка схемы электрической принципиальной (проводилась в системе Orcad)

Основные моменты:

· Создание библиотеки компонентов для проекта.

· Ввод схемы электрической принципиальной в редактор схем.

· Задание классов цепей и формирование списка соединений.

Процесс проектирования печатной платы начинается с создания библиотеки компонентов для проекта. На этом этапе ведется поиск и изучение документации (DataScheet) на используемые компоненты.

Каждый компонент библиотеки содержит условно-графическое обозначение (УГО) компонента (symbol) для редактора схем, и посадочное место (pattern) для редактора топологии.

Создание библиотеки компонентов самый важный и ответственный этап, от него зависит дальнейшее успешное выполнение всего проекта. Все ошибки при проектировании, как правило, возникают именно на этом этапе. Комплексный подход к этому этапу позволяет избежать ошибок при проектировании ПП, и заметно сэкономить время в последующих этапах.

Комплексный подход заключается в том, что уже на этом этапе осуществляется подготовка стратегии трассировки проводников будущей печатной платы, определяются классы цепей, и задаются необходимые технологические параметры, а так же формируются данные необходимые для подготовки конструкторской документации.

После завершения работ по вводу схемы осуществляется проверка ERC (Electrical Rules Check) встроенными средствами Allegro Design на наличие ошибок и соответствие заданным параметрам, и в случае успешного прохождения теста генерируется список цепей NetList для передачи в программу трассировки. С этого момента исключается любая вероятность возникновения ошибок на дальнейших этапах проектирования.

Идеальный вариант, когда библиотека элементов полностью формируется на этом этапе, однако на практике после загрузки Net-листа в редактор топологии, паттерны некоторых компонентов требуют коррекции и внесения изменений, эти изменения требуется вносить и в редактор схем, даже если символ компонента не менялся. Это очень важный момент, невыполнение которого приводит к ошибкам, и невозможности корректно и в полном объеме использовать встроенные средства автоматической проверки и контроля параметров.

Корректно созданная схема и библиотека элементов позволяют в полном объеме осуществлять дальнейшую поддержку Вашего проекта, с минимальными затратами времени на внесение любых изменений.

Вы можете самостоятельно проверить, насколько корректно выполнен Ваш проект. Для этого нужно сгенерировать Net-лист в редакторе схем (Utils/Generate Netlist...) и выполнить его проверку на соответствие, в редакторе топологии (Utils/Compare Netlist...), если проверка проходит успешно, то можно говорить о корректно выполненном проекте. Если же проверка заканчивается сообщением о наличии ошибок, это еще не значит что Ваш проект выполнен с ошибками влияющими на работоспособность проектируемого устройства, это скорее говорит о умении инженера конструктора грамотно использовать возможности пакета проектирования и как правило с такими проектами возникают сложности при дальнейшей поддержке, или конвертировании в другие САПР, выраженные большими временными затратами на исправление допущенных недоработок.

5.2 Трассировка печатной платы (проводилась в системе Allegro)

· Предварительное размещение компонентов на печатной плате.

· Трассировка печатных проводников.

· Проверка соответствия ПП заданным технологическим параметрам.

Этап проектирования печатной платы является самым трудоемким во всей последовательности этапов.

Как правило, еще до процесса проектирования печатной платы уже известны некоторые требуемые технологические параметры, это желательные габаритные размеры платы, или требования к расположению некоторых элементов, таких как разъемы, элементы управления и индикации, а также прочие конструктивные особенности, требования к ЭМС (электромагнитная совместимость).

На этапе предварительного размещения компонентов определяется возможность проектируемой платы соответствовать требуемым техническим параметрам, проводится коррекция этих параметров (как с целью улучшения, так и с целью оптимизации), и выбирается лучший вариант.

Параметры требуемых минимальных зазоров заносятся в специальную таблицу, по которой будет осуществляться автоматический контроль в процессе трассировки проводников.

После того как решение вопроса размещения компонентов закончено начинается процесс трассировки проводников, в зависимости от стратегии принятой на этапе подготовки схемы.

Трассировка проводников может происходить разными способами, при помощи специализированных программ в автоматическом режиме, в интерактивном режиме, в ручном режиме. Мы специализируемся на трассировке проводников в ручном и интерактивном режиме, что позволяет более грамотно подходить к вопросам ЭМС и позволяет получить высокую технологичность ПП чего пока еще невозможно добиться используя автоматическую трассировку.

В процессе трассировки проводников проводится проверка DRC (Design Rules Check) на наличие ошибок и соответствие всем заложенным технологическим параметрам. По окончании процесса трассировки проводников и положительном результате проверки, процесс трассировки проводников можно считать успешным.

Проектирование шестислойной печатной платы

На основе японской шестислойной платы Spartan-3A FPGA Board XCM-014 Series была спроектирована печатная плата в среде Cadence.

На первом этапе с сайта производителя были скачены все доступные материалы, что включало в себя

1) Принципиальную схему

Рис. 5.1 Принципиальная схема 1 стр.

Рис. 5.2 Принципиальная схема 2 стр.

Эту принципиальную схему я воссоздал в системе OrCAD.

Далее был составлен список компонентов и поиск всех файлов Datasheet дляэ данных компонентов.

Таблица№1 компоненты ПП

После этого с сайта производителя была взята схема трассировки по каждому слою создаваемой шестислойной платы.

Рис. 5.3 Схема трассировки

Рис. 5.4 Принципиальная схема воссозданная в системе OrCAD

После создания принципиальной схемы в системе OrCAD, далее я перешел в систему Allegro, для этого было необходимо экспортировать NETLIST.

В системе Allegro производилась непосредственно трассировка платы и размещение компонентов, аналогичные тому как это сделанно на оригинальной плате.

В программе осуществляется последовательная работа с каждым из шести слоев печатной платы: TOP, Internal 1, Mid layer1, Mid layer2, Internal 2, Bottom. Результаты работы представлены на Рис.5.5, Рис 5.5, Рис 5.7, Рис 5.8, Рис 5.9, Рис 5.10.

Рис.5.5 TOP

Рис 5.6 Internal 1

Рис 5.7 , Mid layer1

Рис 5.8 Mid layer2

Рис 5.9 Internal 2

Рис 5.10Bottom

5.3 Результаты моджелирования

В среде Cadence Allegro Design была спроектирована принципиальная схема печатной платы (Рис.10). После чего была создана библиотека Footprint всех компонентов печатной платы. Далее весь проект переходит в среду Cadence PCB Editor, для этого в программе проверяются все соединения, наличие Footprint всех компонентов, после чего осуществляется трассировка печатной платы в Cadence PCB Editor, размещение всех компонентов в соответствие с техническим заданием и требованиями к электромагнитной совместимости.

Конечным результатом явилась создание печатной платы в Китае.

Готовая печатная плата

Заключение

В работе описана конфигурация и метод монтажа цепей развязки, используемых для электропитания ПЛИС. Предполагается, использование этих цепей для того, чтобы подавить помехи и поставлять достаточно тока для работы ПЛИС (сохранения целостности питания). Описания основаны на вносимых потерях с точки зрения подавления помех и полного сопротивления с точки зрения целостности питания как важнейших индикаторов развязки цепей. В работе даны общие сведения по помехоподавлению и сохранения целостности питания в печатных узлах. Также дается обоснование выбора развязывающих конденсаторов в качестве основного инструмента по подавлению помех и поддержания низкого сопротивления по питанию. Даются теоретические обоснования по выбору конденсаторов и по топологии их размещения, учитывая их особенности. Также даются рекомендации по проектированию печатных плат и монтажу. В результате сформулированы научно обоснованные рекомендации по установке ПЛИС на печатные платы.

Список литературы

1. Кечиев Л.Н. Методы анализа печатных плат быстродействующих устройств. IV Межд. Симпозиум по ЭМС. - Ворцлав, 1986, Ч.2. - с.676-683.

2. Кечиев Л.Н. Численные методы определения емкостных параметров многопроводныз связей / Л.Н. Кечиев, А.Ю. Воробьев, С.А. Королев, П.В. Степанов. -М.:МГИЭМ, 1999.-77с.

3. Потопов Ю.В. Решаем проблему ЭМС. Технологии и материалы: печатные платы,2002, №2.-С.92-95

4. Transmisson- Line Effects Influence High Speed CMOS/ Fairchild Semiconductors, AN-393, 1998.

5. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействуещей аппаратуры/ -М.: ООО «Группа ИДТ», 2007

6. Application Manual for Power Supply Noise Suppression and Decoupling for Digital ICs. C39E. Murata, 2000. 85 p.

7. Куэстад Ф. Проектирование систем распределенного питания. «Электроника», 1990, №7.-С. 39-48.

8. Smith L., Anderson R., Forehand D., Pelc T., Roy T. Power Distribution System Design Methodology and Capacitor Selection for Modern CMOS Technology. IEEE Trans. On Advanced Packaging, 199, v.22, №3б p. 16-32

9. Пирогова Е.В. Проектирование и технологии печатных плат: учебник/ Е.В Пирогова.-М.: ФОРУМ : ИНФРА-МБ 2005.- 560 с.

10. Brooks D. PCB Impedance Control: Formulas and Resources. Printed Circuit Design Magazine, 1998, March p.4

11. http://digteh.ru/digital/PLD/

12. http://parallel.ru/fpga/vendors.html

Размещено на Allbest.ru