Полная площадь печатной платы рассчитана по формуле (3.1).

, (3.1)

где - площадь печатной платы;

k - коэффициент запаса по площади;

S _УЭЛЕМ - суммарная площадь занимаемая элементами.

С целью облегчения теплового режима назначаем k = 3.

Из-за большого размера спецификации в таблице 3.1 для дискретных элементов поверхностного монтажа указаны не элементы, а только типы корпусов и их количество. Этой информации вполне достаточно для определения площади платы.

Таблица 3.1 - Установочные размеры элементов ПП

После подстановки данных из таблицы 3.1 в формулу (3.1):

Рассчитаем минимальную длину печатной платы, исходя из соотношения сторон 3: 4:

.

При этом ширина платы должна быть не менее:

3.2 Технология изготовления печатной платы охранной системы автомобиля с передачей данных по GSM каналу связи

При наличии требуемого оборудования процесс перепайки и замены элементов на SMT платах проще, чем на PTH платах. За счет удобной подачи SMD интегральных схем, компоненты могут удаляться и заменяться неоднократно с той же самой платы без повреждения интегральной схемы или печатной платы, чего нельзя сделать с DIP интегральными схемами (ИС), имеющими более 40 выводов.

Технология SMT имеет следующие недостатки:

платы с SMT компонентами требуют специальной разработки и автоматизированного проектирования (CAD), с высокими требованиями к допускам и качеству печатной платы.

экономически оправданным методом применения SMT компонентов при изготовлении печатных плат является наличие оборудования автоматизации сборки.

ручная сборка практически не допустима.

применение обычного паяльника при ремонте SMT плат не допустимо.

любые технические изменения влекут за собой изменения расположения компонентов и требуют новых затрат, таких как изготовление нового трафарета для клея и т.п., что влечет за собой дополнительные расходы.

некоторые разработки требуют применения DIP компонентов. При сборке таких плат приходиться применять автоматическую установку PTH и SMT компонентов, что увеличивает издержки на выполнение дополнительных сборочных шагов.

Для повышения компактности устройства радионавигации, конструктивно, его принципиальные схемы выполнены в виде двух печатных плат: основная печатная плата - двухсторонняя печатная плата (ДПП) с монтажом элементов с обеих сторон платы; печатная плата клавиатуры (схема блока клавиатуры и блока индикации) - ДПП с монтажном элементов с одной стороны платы, содержащая контактные площадки для механической клавиатуры. Элементная база устройства радионавигации конструктивно состоит только из SMD компонентов, а сборка печатной платы осуществляется только по SMT технологии.

Технологический процесс изготовления печатной платы устройства позиционирования в сети GSM состоит из следующих стадий:

1) Проектирование рисунка печатной платы и сборочного чертежа, оформление соответствующей документации (в данном дипломном проекте проектирование осуществлялось с помощью пакета программных приложений P-CAD 2000 V15.1). Величина зазор-проводник составляет 0,2 мм - 0,2 мм, элементы схемы устанавливаются в узлах координатной сетки 0,4 мм. Трассировка печатных плат устройства радионавигации изображена на рис.21 - 24.

2) Входной контроль материалов (осуществляется по Гост 10316-78).

3) Резка на заготовки по заданному маршруту. Здесь и далее не указывается конкретное оборудование для технологических этапов изготовления печатной платы (ПП). Следует отметить, что изготовить платы устройства позиционирования в сети GSM можно только с помощью современного высокоточного оборудования. В качестве диэлектрического основания был выбран стеклотекстолит фольгированный с двух сторон, толщиной 1,5 мм.

Рисунок 3.1 - Трассировка печатных плат устройства радионавигации (сторона 1)

Рисунок 3.2 - Трассировка печатных плат устройства радионавигации (сторона 2)

4) Сверление отверстий. Для повышения качества сверления между заготовками ПП прокладывается алюминиевая фольга (или гетинакс). Для выхода сверла используется гетинакс толщиной 2.3 мм. Диаметр переходных отверстий (металлизированные) - 0,4 мм, диаметр отверстий для монтажа проводов (металлизированные) - 1 мм, диаметр монтажных отверстий (не металлизированные) - 3 мм.

5) Первичная металлизация отверстий. Химико-гальванический процесс с последующим наращиванием гальваническим способом до 4 мкм. Обеспечивает начальную металлизацию во всех отверстиях (если металлизация в каком-то отверстии не нужна, то это отверстие закрывается специальной пробкой).

6) Подготовка поверхности фольгированного диэлектрика: в данную операцию входят две подоперации, одна из них механическая обработка (это обработка с помощью абразивных материалов) и химическая (это обработка с помощью химикатов). На этом этапе заготовка очищается от грязи, окислов, жира и др. веществ.

7) Ламинирование - процесс нанесения на печатные платы пленочного фоторезиста. Эта пленка чувствительна к свету и позволяет выполнить печать и проявку панелей, используя фото-инструменты, которые определяют изображение печатных проводников на обеих поверхностях платы.

8) Экспонирование - заготовка с нанесенным защитным фоторезистом засвечивается через фотошаблон с переносом рисунка на фоторезист. Печать выполняется экспозицией панелей в ультрафиолетовом свете через фотошаблоны, прикрепленные к панели во время экспозиции. Интенсивность и время засветки выбирается таким, чтобы обеспечить достоверную копию изображения на фотошаблоне и гарантировать полную полимеризацию фоторезиста с тем, чтобы он не смылся при проявке и противостоял кислотной природе растворов, используемых в дальнейшем при металлизации медью, оловом и (или) никелем и золотом.

9) Проявление. Проявленный образ печатных проводников предстает на панели как области меди, не покрытые фоторезистом. Те участки панели, которые остались закрытыми под фоторезистом, не смогут подвергаться электрометаллизации, поэтому в дальнейшем дополнительным слоем меди и олова будут покрыты только области, освобожденные от фоторезиста при проявке. Этап заканчивается визуальным контролем правильности рисунка ПП и ретушью по фоторезисту.

10) Вторая металлизация. Сила тока и время цикла медной металлизации выбираются с тем, чтобы обеспечить нанесение необходимой толщины меди на стенки металлизированных сквозных отверстий. За медной металлизацией следует металлизация оловянно-свинцовым припоем.

11) Снятие фоторезиста. Химический процесс в щелочной среде в модульной линии. По окончании - визуальный контроль.

12) Травление. Покрытие, которое защищает участки проводников от вытравливания, представляет собой слой припоя, нанесенный по изображению проводников. После того, как фоторезист химически удаляется с панелей, они погружаются в травильную машину, где участки меди, незащищенные слоем припоя, подвергаются атаке реактива и вытравливаются, таким образом, оставляя на панели токопроводящие дорожки в соответствии с изображением на фотошаблоне. В технологическом процессе травления имеется понятие, известное как подтрав. В то время, когда впрыскиваемый реактив вытравливает открытые участки меди, достигая полной глубины медного слоя, он также немного подтравливает медь по бокам. То есть, реактив "съедает" медь, как в глубину, так и в ширину, и наиболее глубоко подтравливается верх трассы, а наименее - ее самая глубокая часть. Если взять срез такой медной трассы, мы могли бы увидеть что-то близкое к трапеции, с более широким основанием, лежащим на подложке платы. Ширина подтрава имеет величину примерно 70% от толщины медного слоя. Это явление ведет к зауживанию проводников.

13) Оплавление - процесс, во время которого припой нагревают до температуры плавления и дают ему равномерно растечься. В этом случае поверхность припоя принимает более блестящий вид вследствие большего размера зерна и становится менее подверженной окислению с течением времени. Важным свойством оплавления является устранение очень тонких наростов припоя на краю вытравленных проводников вследствие подтрава, описанного ранее. Если не выполнять этап оплавления, эти наросты припоя могут оторваться и образовать очень тонкие и незаметные токопроводящие дорожки в непредсказуемых местах платы, что совершенно нежелательно.

14) Этап зачистки поверхности перед нанесением припойной маски (припой в последствие наносится на контактные площадки для монтажа элементов).

15) Нанесение жидкой фоточувствительной маски.

16) Сушка маски. Инфракрасная сушка с активной вентиляцией для обеспечения равномерности покрытия.

17) Экспонирование.

18) Проявка.

19) Отвердение. Может применяться как ультрафиолетовое отвердение, так и термоотвердение (обеспечиваются более жесткие условия).

20) Подготовка поверхности для нанесения припоя. Защита планарных выводов, ламелей для покрытия никелем, палладием, золотом.

21) Нанесение и оплавление покрытия олово-свинец (ПОС). Выравнивание припоя осуществляется горячим воздухом. Наносится ПОС-61 толщиной 8.18 мкм.

22) Нанесение маркировки.

23) Покрытие ламелей и планарных площадок никелем, палладием, золотом.

24) Резка на единичные печатные платы (возможно после сборки).

25) Выходной контроль. Электрический тестовый контроль предусматривает проверку печатной платы на обрыв или короткое замыкание.

После процесса изготовления печатной платы следует технологический этап сборки, на котором электронные компоненты, входящие в состав устройства радионавигации, устанавливаются на печатную плату. Причем в отличие от PTH сборки, SMT технология в данном случае не допускает установку компонентов волной припоя. Поэтому при сборке устройства позиционирования следует применять один из следующих способов сборки: пайка расплавлением дозированного припоя в парогазовой фазе (ПГФ), пайка расплавлением дозированного припоя с инфракрасным (ИК) нагревом, лазерная пайка. Так же возможна установка некоторых компонентов на специальные токопроводящие клеи.

Пайка расплавлением дозированного припоя применима только к микросборкам с поверхностным монтажом. Процесс начинается с нанесения способом трафаретной печати припойной пасты на контактные площадки коммутационной платы. Затем на поверхность платы устанавливаются компоненты. В ряде случаев припойную пасту просушивают после нанесения, с целью удаления из ее состава летучих ингредиентов или предотвращения смещения компонентов непосредственно перед пайкой. После этого плата разогревается до температуры расплавления. В результате образуется паяное соединение между контактной площадкой платы и выводом компонента. Такая техника пайки применима к коммутационным платам без монтируемых в отверстия компонентов, т.е. с набором только поверхностно монтируемых компонентов любых типов. Метод пайки в парогазовой фазе является разновидностью пайки расплавлением дозированного припоя, в ходе которой пары специальной жидкости конденсируются на коммутационной плате, отдавая скрытую теплоту парообразования открытым участкам микросборки. При этом припойная паста расплавляется и образует галтель между выводом компонента и контактной площадкой платы. Когда температура платы достигает температуры жидкости, процесс конденсации прекращается, тем самым заканчивается и нагрев пасты. Повышение температуры платы, от ее начальной температуры (например, окружающей среды перед пайкой) до температуры расплавления припоя, осуществляется очень быстро и не поддается регулированию. Поэтому необходим предварительный подогрев платы с компонентами для уменьшения термических напряжений в компонентах и местах их контактов с платой. Температура расплавления припоя также не регулируется и равна температуре кипения используемой при пайке жидкости. Такой жидкостью является инертный фторуглерод. При использовании установки для пайки в ПГФ таких компонентов, как чип-конденсаторы и чип-резисторы, может возникнуть проблема, известная как "эффект опрокидывания компонента". Причина опрокидывания компонентов до конца не изучена, и универсальных средств для избежания этого в настоящее время не существует. Необходимо варьировать параметры процесса пайки до тех пор, пока не прекратится опрокидывание компонентов.

Процесс пайки компонентов, собранных на коммутационной плате, с помощью ИК-нагрева аналогичен пайке в ПГФ, за исключением того, что нагрев платы с компонентами производится не парами жидкости, а ИК-излучением. Основным механизмом передачи тепла, используемым в установках пайки с ИК-нагревом, является излучение. Передача тепла излучением имеет большое преимущество перед теплопередачей за счет теплопроводности и конвекции в описанных ранее методах, так как это единственный из механизмов теплопередачи, обеспечивающий передачу тепловой энергии по всему объему монтируемого устройства. Остальные механизмы теплопередачи обеспечивают передачу тепловой энергии только поверхности монтируемого изделия. В отличие от пайки в ПГФ, в процессе пайки с ИК-излучением скорость нагрева регулируется изменением мощности каждого излучателя и скорости движения транспортера с коммутационными платами. Поэтому термические напряжения в компонентах и платах могут быть снижены посредством постепенного нагрева микросборок. Основным недостатком пайки с ИК-нагревом является то, что количество энергии излучения, поглощаемой компонентами и платами, зависит от поглощающей способности материалов, из которых они изготовлены. Поэтому нагрев осуществляется неравномерно в пределах монтируемого устройства. Пайка кристаллоносителей без выводов или с J-образными выводами может оказаться невозможной в установках с ИК-нагревом, если компонент непрозрачен для ИК-излучения. В некоторых установках для пайки с ИК-нагревом вместо ламп ИК-излучения применяются панельные излучающие системы. В этом случае излучение имеет намного большую длину волны, чем излучение традиционных источников. Излучение такой излучающей системы не нагревает непосредственно микросборку, а поглощается технологической средой, которая в свою очередь передает тепло микросборке за счет конвекции. Этот способ пайки устраняет ряд недостатков, присущих традиционной пайке с ИК-нагревом, таких, как неравномерный прогрев отдельных частей микросборки и невозможность пайки компонентов в корпусах, непрозрачных для ИК-излучения. Панельные излучатели имеют ограниченный срок службы и обеспечивают намного меньшую скорость нагрева, чем традиционные источники ИК-излучения. Однако при их использовании может не потребоваться технологическая среда из инертного газа.

Лазерная пайка (пайка лучом лазера) не относится к групповым методом пайки, поскольку монтаж ведется по каждому отдельному выводу либо по ряду выводов. Однако бесконтактность приложения тепловой энергии позволяет повысить скорость монтажа до 10 соединений в секунду и приблизиться по производительности к пайке в паровой фазе и ИК излучением. По сравнению с другими методами лазерная пайка обладает рядом следующих преимуществ. Во время пайки печатная плата и корпуса элементов практически не нагреваются, что позволяет монтировать элементы, чувствительные к тепловым воздействиям. В связи с низкой температурой пайки и ограниченной областью приложения тепла резко снижаются температурные механические напряжения между выводом и корпусом. Выбор материала основания не является критическим.

Кратковременные действия тепла - 20.30 мс, резко снижаются толщина слоя интерметаллидов, припой имеет мелкозернистую структуру, что положительно сказывается на надежности печатной сборки (ПС). Установки лазерной пайки могут быть полностью автоматизированы, при этом, возможно, использовать данные САПР для печатных плат. Возможна пайка плат с высокой плотностью компоновки элементов, с размерами контактных площадок до 25 мкм, без образования перемычек на соседние соединения или их повреждения. При использовании хорошо просушенной паяльной пасты, выполненные с помощью лазерной пайки ПС, не образуют шариков припоя или перемычек, в результате чего отпадает необходимость применять паяльные маски. При использовании лазерной пайки нет необходимости в предварительном подогреве многослойной печатной платы, что обычно необходимо делать при пайке в паровой фазе для предотвращения расслоения платы. Не требуется также создавать какую-либо специальную газовую среду. Процесс пайки ведется в нормальной атмосфере без применения инертных газов.

Таким образом, выбор метода сборки печатной платы во многом зависит от требуемого качества конечного изделия, то есть устройства радионавигации. Не мало важным является вопрос о стоимости оборудования, применяемого при изготовлении устройства позиционирования в сети GSM. Поэтому необходимо проанализировать этот вопрос и выбрать наиболее оптимальный вариант. В любом случае необходимо применять оборудование для автоматической установки компонентов.

Машины для автоматической установки работают по трем основным принципам: поочередная, поочередно-одновременная и одновременная установка компонентов. В аппаратах поочередной установки один компонент все время устанавливается одной или двумя установочными головками. Поочередная установка, также может проводиться при помощи револьверной головки. В поочередно-одновременной установке несколько компонентов может быть установлено одновременно. Установочные машины одновременного типа, устанавливают все или возможно-большее количество компонентов за один раз.

Поочередные и поочередно-одновременные машины, также называются последовательными и их основное преимущество в гибкости настройки. Если машина поочередной установки оснащена револьверной головкой, скорость установки компонентов на печатную плату значительно возрастает. Эти машины могут устанавливать компоненты нескольких типов. Место установки компонента может быть легко изменено, а точность установки достаточно высока.

Машины одновременной установки компонентов значительно производительней. Скорость установки компонентов может достигать 300000 компонентов в час, однако эти машины не так просты и гибки в настройке. Если для изменения места установки компонента в машинах поочередного и поочередно-одновременного типа достаточно изменить программы, то для машины одновременной установки требуются значительные сложные механические изменения. Поэтому, эти машины используются, в основном, для особо больших партий изделий.

4. Экономическая часть

4.1 Понятие себестоимости