Разработка конструкции и технологического процесса изготовления печатной платы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Разработка конструкции устройства

1.1 Выбор принципа конструирования

1.2 Выбор конструкционной системы

1.3 Выбор серии логических ИМС

1.4 Расчет теплового режима блока

1.5 Расчет параметров электрических соединений

1.6 Расчет надежности

2. Разработка технологического процесса изготовления устройства

2.1 Выбор метода изготовления печатной платы

2.2 Технологический процесс изготовления печатной платы комбинированным позитивным методом

2.3 Выбор варианта ТП изготовления блока

2.4 Анализ технологической конструкции изделия

2.5 Расчет нормы времени

2.6 Основные требования к ТП

Заключение

Список литературы

Введение

Конструкция современной ЭВМ - комплекс различных по природе деталей, определенным образом объединенных электрически и механически друг с другом и призванных выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации. От правильного выбора этих деталей, материалов, из которых они изготовлены, оптимального их размера, закрепления и объединения зависят важнейшие характеристики машины:

быстродействие;

объем

масса;

потребляемая мощность.

Разработчик ЭВМ для объединения этих требований, предъявляемых к машине, основывается, главным образом, на разработанную ранее принципиальную электрическую схему устройства, вид объекта установки и общие сведения об уровне производства, где планируется выпуск разрабатываемой ЭВМ. От вида объекта установки машины, зависит, какие из факторов, характеризующих условия эксплуатации, будут в большей степени влиять на ее работоспособность. Уровень производства имеет существенное значение при определении стоимости разрабатываемой ЭВМ, удобства наладки и ремонта, трудоемкости, технологичности и т.д.

печатный плата микросхема электрический

1. Разработка конструкции устройства

1.1 Выбор принципа конструирования

Выбор принципа конструирования зависит от назначения и сложности принципиальной схемы устройства.

Сложность принципиальной схемы разрабатываемого устройства не позволяет расположить ее на одной печатной плате, так как в этом случае превышается допустимое значение плотности компоновки элементов. Поэтому применение моносхемного принципа конструирования исключается. С другой стороны разрабатывается устройство не настолько сложное, чтобы целесообразно было применять функционально-узловой или каскадно-узловой принцип. Следовательно выберем схемно-узловой принцип конструирования.

Принципиальную электрическую схему разрабатываемого устройства разобьем на следующие части:

Устройство ввода-вывода информации.

Устройство преобразования введенного кода.

В данном курсовом проекте разрабатывается конструкция и технологический процесс изготовления печатной платы.

1.2 Выбор конструкционной системы

Конструкционная система - иерархическая совокупность базовых конструкций, организованных в определенной соподчиненности на основе размерной совместимости с учетом функциональных, механических и тепловых факторов, а также требований технической эстетики и эргономики, предназначенная для построения вариантных компоновок функциональных изделий и ЭВМ.

Так как проектируемое устройство имеет не очень большую электрическую схему, то использование конструкционных систем ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ нерационально. Поэтому выбираем конструкционную систему микроЭВМ. Данная система состоит из 5 уровней:

интегральная схема;

плата;

корпус частичный,

корпус комплектный,

ЭВМ.

В соответствии со стандартом 297 МЭК выделяют следующие размеры печатных плат для СМ ЭВМ:

E1 = 100 Ч 180 мм;

E2 = 233,35 Ч 220 мм;

E3 = 233,35 Ч 160 мм;

E4 = 100 Ч 220 мм.

Исходя из количества корпусов ИМС в разрабатываемом узле, выберем размер печатной платы E1 = 100 Ч 180 мм.

1.3 Выбор серии логических ИМС

Один из важнейших этапов разработки ЭВМ - выбор серии ИМС, так как от правильного выбора зависит, будет ли в конечном итоге разрабатываемое устройство отвечать всем требованиям, предъявляемым к нему в техническом задании. Серии ИМС как объект выбора характеризуются совокупностью различных параметров, имеющих различную размерность (тока, напряжения, времени, емкости, сопротивления, мощности), а так же безразмерными параметрами. Это определяет применение, при выборе необходимой серии ИМС, методики, основанной на использовании весовых коэффициентов.

Однако при разработке устройства необходимо учитывать требования, накладываемые заказчиком на выбор ИМС. ИМС в данном случае должны быть выбраны из следующих серий К176, К561, КР1561, КР1564. Это обосновывается тем, что в предыдущем курсовом проекте по заданию необходимо было разработать принципиальную электрическую схему на основе ИМС КМОП-логики.

Параметры, по которым оценивается пригодность серии ИМС, а так же соответствующие им значения весовых коэффициентов приведены в таблице.

Таблица 1.3.1

Серия	Рпот, мВт	tзад, нс	fраб, МГц	Коэффициент разветвления по выходу
К176	30	200	5	50
К561	50	100	5	50
КР1561	100	30	10	100
КР1564	100	10	50	50
bj	0,5	0,05	0,15	0,3

Данные серий сведем в матрицу параметров:

Параметры приводятся к виду, при котором большему числовому значению параметра соответствует лучшее качество ИМС. Параметры, не удовлетворяющие этому условию, пересчитываются по формуле: у_ij=1/х_ij. В нашем случае необходимо пересчитать t_зад и Р_пот. В итоге получим матрицу приведенных параметров:

Нормирование параметров матрицы Y производят по формуле:

В результате получим матрицу нормированных параметров:

Для обобщенного анализа систем элементов используем оценочную функцию:

Для К176: Q = 0,803

К561: Q = 0,33

КР1561: Q = 0,645

КР1564: Q = 0,64

Минимальная оценочная функция у серии К561. Выберем серию К561.

1.4 Расчет теплового режима блока

Важнейшим фактором, определяющим эксплутационную надежность радиоэлектронной аппаратуры, ЭВМ является тепловой режим.

Для обеспечения нормального теплового режима определяют среднюю плотность теплового потока от корпуса блока:

, где

P_t ⁼ Р_потр + Р_вх + Р_вых

- суммарная мощность тепловыделения в блоке;

Р_потр ⁼ 6,3 мВт - потребляемая блоком мощность (взята из прошлой курсовой);

Р_вх = 326 мВт - мощность входных сигналов;

Р_вых = 400 мВт мощность выходных сигналов ;

Следовательно:

P_t = 6,3 + 326 + 400 = 732,3 мВт.

S_k = 2* [L₁ * L₂ + (L₁ + L₂)* L₃ * K₃]

- условная площадь поверхности теплообмена корпуса блока;

L₁, L_2, L₃ - примерные габариты корпуса блока;

Примем L₁ = 260 мм, L₂ = 200 мм, L₃ = 100 мм;

К_з = 0,4…0,8 (для ЭВМ) - коэффициент заполнения объема блока.

Пусть К_з = 0,4, тогда

S_k = 2* [260*10^-3 * 200*10^-3 + (260+200)*10^-3 *100*10^-3 * 0,4] = 14,08*10^-2 м²

g = 732,3*10^-3 / 14,08*10^-2 = 5,2 Вт/м²

Определим допустимый перегрев наименее теплостойкого элемента

где

= 362 К - максимально допустимая температура нагрева (из анализа элементной базы);

= 323 К - максимальная температура окружающей среды.

Следовательно

.

По диаграмме представленной на рисунке 1.4.1 выбираем систему охлаждения.

Рисунок 1.4.1 - диаграмма способов охлаждения

На рисунке приведены графики, характеризующие области целесообразного применения различных способов охлаждения:

естественное воздушное (области 1 и 2);

принудительное воздушное (области 2, 3 и 4);

естественное жидкостное (область 4);

принудительное жидкостное (области 5, 6 и 7);

естественное испарительное (области 6, 7 и 8);

принудительное испарительное (области 8 и 9)

Для данного блока достаточно естественного воздушного охлаждения.

1.5 Расчет параметров электрических соединений

Расчет печатного монтажа состоит из следующих этапов:

Печатная плата выполняется комбинированным позитивным методом, т.к. он обеспечивает максимальную надежность соединения печатных

проводников с основанием платы. Установка ИМС на печатную плату производится вручную, поэтому устанавливать большие размеры допусков нет необходимости и возможно изготовление печатной платы по третьему классу точности (ГОСТ 4.010.022 - 85).

Определение минимальной ширины печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления.

где

I_max = 0,4 А - максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках;

Допустимая плотность тока и толщина проводника выбирается из таблицы 1.5.1 в зависимости от метода изготовления.

Таблица 1.5.1 Допустимая плотность тока в зависимости от метода изготовления

Метод изготовления	Толщина фольги t, мкм	Допустимая плотность тока yдоп, А / мм2	Удельное сопротивление p, Ом*мм2/ м
Химический: внутренние слои МПП наружные слои ОПП, ДПП	20, 35, 50 20, 35, 50	15 20	0.050
Комбинированный позитивный	20 35 50	75 48 38	0.0175
Электрохимический	-	25	0.050

у_доп = 48 А/мм² - допустимая плотность тока;

t = 35*10^-3 мм - толщина проводника.

b_min = 0,4/48*35*10^-3 = 0,238 мм

Определение минимальной ширины проводника

Определение минимальной ширины проводника, исходя из допустимого падения напряжений на нём:

где

р = 0,0175 Ом мм²/м - удельное объемное сопротивление;

l = 0,5 м - максимальная длина проводника;

U_доп = 0,5В - допустимое падение напряжения (из анализа электрической схемы, не должно превышать 10% от питающего напряжения для микросхем и не более запаса помехоустойчивости микросхем).

Итак, принимаем b_min = 0,24 мм.

Определение минимального диаметра монтажных отверстий.

где

d_э =0,5 - максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ;

Дd_н.о = 0,1 - нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия (по таблице 1.5.2);

r = 0,1 - разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ (выбирается в пределах 0,1…0,4)

Для металлизированных отверстий:

, где

0,33 (для ПП 3-го класса точности) - отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы;

H_Ci = 1,5 - номинальная толщина i-ro слоя;

H_npt = 0 - номинальная толщина материала i-ой прокладки из стеклоткани (т.к. 1 слой, то прокладок вообще нет);

n = 1 - число слоев;

h_n = 0,035 - толщина гальванически осажденных металлов.

Исходя из этого выбираем диаметр отверстия d = 0,7 мм из ряда рекомендуемых ГОСТ 10317-79.

Таблица 1.5.2 Классы точности ПП

Параметры	Класс точности ПП
	1	22	3 3	4 4
Минимальное значение номинальной ширины проводника b, мм	00,60	00,45	00,25	00,15
Номинальное расстояние между проводниками s, мм	00,60	00,45	00,25	00,15
Отношение диаметра отверстия к толщине платы	>>=0,50	>>=0,50	>>=0,33	>>=0,33
Допуск на отверстие d, мм, без металлизации, d<=1 мм	0,10	0,10	0,05	0,05
То же, d >1 мм	0,15	0,15	0,10	0,10
Допуск на отверстие d, мм, с металлизацией, d<=1 мм	+ +0,10 -- 0,15	++ 0,10 - -0,15	++ 0,05 -- 0,10	+ +0,05 - -0,10
То же, d >1 мм	++ 0,15 - -0,20	+ +0,15 -- 0,20	++ 0,10 - -0,15	++ 0,10 -- 0,15
Допуск на ширину проводника b, мм, без покрытия	0,15	0,10	++ 0,03 -- 0,05	0,03
То же с покрытием	+ +0,25 - 0,20	+ +0,15 - 0,10	++ 0,10 - 0,08	0,05
Допуск на расположение отверстия при размере платы до 180 мм d	00,20	00,15	00,08	00,05
Допуск на расположение контактных площадок p, мм, на ОПП и ДПП при размере платы до 180 мм	00,35	00,25	00,20	00,15
Допуск на расположение контактных площадок p, мм, на МПП при размере платы до 180 мм	00,40	00,35	00,30	00,25
Расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки bm	00,06	00,045	00,035	00,025

Расчет диаметра контактных площадок:

Минимальный диаметр контактных площадок печатных плат, изготовленных комбинированным позитивным методом:

где

h_ф = 0,035 мм - толщина фольги;

- минимальный эффективный диаметр площадки, где:

b_m = 0,035 мм (для ПП 3-го класса точности - из таблицы 1.5.2) - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки;

дd = 0,08 мм; дp = 0,20 мм - допуски на расположение отверстий и контактных площадок (из табл. 1.5.2);

- - максимальный диаметр просверленного отверстия;

= 0,05 мм - допуск на отверстие (из табл.1.5.2);

d = 0,7 мм - номинальное значение диаметра.

Итак:

d_max = 0,7 + 0,05 + 0,1 = 0,85 мм

D_1min = 2*(0,035 + 0,85/2 + 0,08 + 0,20) = 1,48 мм

D_min = 1,48 + 1,5*0,035 + 0,03 = 1,56 мм

D_max = D_min + (0,02…0,06) = 1,56 + 0,02 = 1,58 мм

Максимальный диаметр контактной площадки 1,6 мм.

Определение ширины проводников.

Минимальная ширина проводников для ПП, изготовленных комбинированным позитивным методом:

где

b_1min = 0,18 мм - (для ПП 3-го класса точности) - минимальная эффективная ширина проводника;

h_ф = 0,035 мм - толщина фольги.

Тогда:

b_min = 0,18 + 1,5*0,035 + 0,03 = 0,263 мм

b_max = b_min + (0,02…0,06) = 0,263 + 0,02 = 0,265 мм

Максимальная ширина проводника 0,3 мм.

Определение минимального расстояния между элементами проводящего рисунка.

- минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой, где

L₀ = 2,5 мм - расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

д₁ = 0,25 мм - допуск на расположение проводников.

S_1min = 2,5 - [(1,6/2 + 0,20) + (0,3/2 + 0,25)] = 1,1 мм



- минимальное расстояние между 2-мя контактными площадками,

S_2min = 2,5 - (1,6 + 2*0,20) = 0,5 мм

- минимальное расстояние между 2-мя проводниками,

S_3min = 2,5 - (1,6 + 2*0,25) = 0,4 мм

1.6 Расчет надежности

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов и условиям эксплуатации. Для расчета надежности необходимо иметь логическую модель безотказной работы системы. При ее составлении предполагается, что отказы элементов независимы, а элементы и система могут находиться в одном из 2-х состояний: работоспособном и неработоспособном. Элемент, при отказе которого отказывает вся система, считается последовательно соединенным; а элемент, отказ которого не приводит к отказу системы, считается включенным последовательно на логической схеме надежности.

Расчет надежности можно производить по внезапным и по постепенным отказам. При конструировании данного устройства расчет будем проводить по внезапным отказам.

Определим интенсивность потока отказов элементов с учетом условий эксплуатации изделия:

где

- номинальная интенсивность потока отказов;

k₁, k₂ - поправочные коэффициенты, зависящие от воздействия механических факторов;

k₃ - поправочный коэффициент, зависящий от воздействия влажности и температуры;

k₄ - поправочный коэффициент, зависящий от давления воздуха;

- поправочный коэффициент, зависящий от температуры поверхности элемента и коэффициента загрузки

Так как расчет надежности блока ведется на этапе технического проектирования, то значения всех поправочных коэффициентов еще не определены. Поэтому воспользуемся полученными из опыта эксплуатации значениями неких обобщенных поправочных коэффициентов, представляющих собой комплексный поправочный коэффициент К, зависящий от объекта установки ЭВМ и учитывающий все условия эксплуатации. Для наземной аппаратуры К=20 (табл. 1.6.2).

Для последовательного соединения элементов на структурной схеме надежности вероятность безотказной работы составит:

где

n - количество элементов.

Интенсивность отказов системы составит:

Среднее время наработки на отказ:

При смешанном соединении элементов в структурной схеме надежности определение вероятности безотказной работы для последовательно соединенных элементов (или блоков) производится во приведенной выше формуле, а для параллельно соединенных - по выражению:

Т.к. разрабатываемый узел не имеет резервных элементов и при отказе любого элемента узла производится полная замена платы (что будет обходиться дешевле, чем поиск неисправности и замена отказавшего элемента), то получаем нерезервированную невосстанавливаемую систему. Т.к. все элементы платы являются практически необходимыми для функционирования устройства, то получим последовательную структурную схему надежности.

Исходя из этого получим:

(для элементов соединенных последовательно на структурной схеме надежности блока),

n - количество отказов;

л_iн - интенсивность отказа i-ro элемента при нормальных условиях эксплуатации (некоторые значения взяты из табл. 1.6.1);

л_ИМС = 20 * 0,013 * 10^-6 * 27 = 7,02 * 10^-6 час^-1

л_ПП = 20 * 0,7 * 10^-6 * 1 = 14 * 10^-6 час^-1

л_{Разъема1} = 20 * 0,062 * 10^-6 * 64 * 1 = 79,36 * 10^-6 час^-1

л_{Разъема2} = 20 * 0,062 * 10^-6 * 3 * 1 = 3,72 * 10^-6 час^-1

л_{паян.соед.} = 20 * 0,01 * 10^-6 * 353 = 70,6 * 10^-6 час^-1

л_{перех.отв.} = 20 * 0,01 * 10^-6 * 281 = 56,2 * 10^-6 час^-1

Среднее время наработки на отказ: Т ⁼ 1/, Т=1/ 2,31*10^-4= 4273 часов Рассчитаем вероятность безотказной работы устройства в течении заданного времени (1000 часов) :

Полученное значение приемлемо для безотказной работы устройства в течение заданного времени.

Таблица 1.6.1 Интенсивность отказов некоторых электро- и радиоэлементов

Наименование элемента	Интенсивность потока отказов, 10-6 , 1/ час
Микросхемы со средней степенью интеграции Большие интегральные схемы Конденсаторы керамические Соединители Гнезда Клеммы, зажимы Плата печатной схемы Пайка печатного монтажа	0,013 0,01 0,15 0,062 * n 0,01 0,0005 0,7 0,01

Таблица 1.6.2 Значения интегрального поправочного коэффициента для аппаратуры различного назначения

Объект установки аппаратуры	Значения поправочного коэффициента
Лабораторные условия Наземная аппаратура Корабль Автомобиль Поезд Аппаратура для высокогорной местности Самолет Ранние образцы ракет Современные образцы ракет	1,0 20 40 50 60 68 100 400 700

2. Разработка технологического процесса изготовления устройства

2.1 Выбор метода изготовления печатной платы

Разработанное устройство будет выполнено на двусторонней печатной плате (ДПП). В соответствии с ГОСТ 23751-86 конструирование ДПП следует осуществлять с учетом следующих методов изготовления : комбинированного, позитивного и электрохимического (полу аддитивного).

Электрохимический метод обеспечивает высокую точность и плотность токопроводящего рисунка. Однако основным требованием к разрабатываемому устройству является высокая надежность, которую обеспечивает комбинированный позитивный метод, благодаря хорошему сцеплению проводников с ПП при использовании этого метода. Кроме того, этот метод нашел наибольшее распространение на предприятии заказчика.

2.2 Технологический процесс изготовления печатной платы комбинированным позитивным методом

Технологический процесс изготовления ПП комбинированным позитивным методом состоит из ряда взаимосвязанных между собой этапов.

Входной контроль фольгированного диэлектрика (СФ-2-35) заключается в проверке размеров листа, состояния поверхности, прочность сцепления фольги в исходном состоянии и при воздействии расплавленного припоя, гальванических растворов и других факторов (ГОСТ 10316-78). При визуальном осмотре листов устанавливается наличие проколов, пузырей и других повреждений. Коробление и изгиб диэлектрика проверяются путем погружения материала в расплавленный припой. При этом выявляются трещины на поверхности и дефекты сцепления между слоями.

Прочность сцепления фольги с диэлектриком характеризуется усилием, необходимым для отрыва плоскости фольги от основания.

Штампуемость материала определяется его способностью подвергаться обработке без образования сколов на грани отверстий и трещин в перемычках между отверстиями.

Способность материала к сверлению определяется пробной обработкой. Изготовление шлифа просверленного отверстия позволяет установить наличие прожигания при сверлении и оплавления поверхности отверстия или наличие шероховатости из торчащих волокон, затрудняющих проведение металлизации отверстий. Внешний вид диэлектрика должен соответствовать ГОСТ 23752-83.

Получение заготовок. Заготовку отрезают с припуском по контуру. Ширина технологического поля составляет 10 мм. Резка листа из фольгированного диэлектрика может производиться дисковой фрезой с охлаждением сжатым воздухом, а также роликовыми или гильотинными ножницами. Применение последних целесообразно, так как при этом повышается производительность, исключается засорение помещений пылью, сокращаются отходы.

Вскрытие базовых отверстий. Для установки заготовки при выполнении некоторых операций ТП предусмотрены фиксирующие и технологические отверстия. Их изготовляют пробивкой или сверлением с помощью специальных устройств.

Сверление отверстий подлежащих металлизации выполняют в кондукторе спиральным сверлом из твердого сплава с углом при вершине сверла 130 гр. Без применения охлаждающей жидкости. Монтажные отверстия сверлят на станках с ЧПУ типа SHMOP, ALPHA-Z, которые имеют массивное гранитное основание для уменьшения промышленных вибраций. Станки должны обеспечивать частоту вращения шпинделя не менее 1000 об/мин., биение сверла не более 0,02 мм, бесступенчатое регулирование скорости, дискретность координатных перемещений. Стенки отверстий должны быть гладкими, без заусениц, расслаивания, ожогов, вмятин диэлектрика. Они должны быть перпендикулярными наружной поверхности платы и свободными от следов инструмента, смазочных веществ и стружки.

Химическая и предварительная гальваническая металлизация ПП.

Химическая и предварительная гальваническая металлизация ПП выполняется на линии химической металлизации и состоит из этапов, описанных ниже.

1. Подготовка поверхности монтажных отверстий ПП заключается в:

а) удалении с поверхности следов предшествующих обработок;

б) обезжиривании поверхности;

в) подтравливании диэлектрика в отверстиях серной кислотой и фтористым водородом;

г) промывка в проточной воде;

д) сенсибилизация, осуществляющейся в растворе двухлористого олова в течении 5… 7 мин., с последующей промывкой в дистиллированной воде. В результате сенсибилизации на поверхности стенок отверстий адсорбируется пленка ионов двухлористого олова, являющаяся восстановителем для палладия;

е) активации, проводящейся в водном растворе двухлористого палладия и аммиака в течении 5.. 7 мин. Активация позволяет создать на подложке тонкую пленку металлического палладия, являющегося активатором при последующем осаждении меди.

2. Химическое меднение состоит в восстановлении меди на активированных поверхностях из раствора, в который входят соли меди, никеля, формалина, соды и др. В результате на поверхности платы и в отверстиях образуются электропроводящие покрытия (толщина меди составляет 0,25 ... 0,5 мкм), которые являются основой для последующего гальванического меднения.

3. Гальваническое меднение применяют для увеличения тонкого слоя меди, полученного при химической металлизации до толщины 5 ... 8 мкм и последующего образования проводящего рисунка схемы с толщиной меди в отверстиях 25 мкм. Нанесение гальванических покрытий осуществляется в ваннах. Медь наращивают в сернокислом, борфтористо-водородном и других электролитах. Подготовка поверхности металлизированных заготовок производится на линии подготовки поверхности и включает в себя этапы :

а) обезжиривание;

б) подтравление;

в) промывка;

д) сушка.

4. Проверка качества подготовки. Получение рисунка изначально осуществляется на установке для нанесения сухого пленочного фоторезиста СПФ-2-40, представляющего собой тонкую пленку, полимеризующуюся под действием ультрафиолетового облучения и переходящую в нерастворимое состояние. В результате экспонирования на соответствующей установке на плате образуется изображение светлых мест фотошаблона. Изображение проявляется на установках проявления струйного типа, и при этом неэкспонированные участки удаляются. Электролитическое меднение и нанесение покрытия "олово-свинец" выполняется на автоматической линии типа "Блазер" и заключается в :

а) обезжиривании;

б) подтравлении;

в) меднении - осаждения слоя меди, толщина которого должна быть не менее 25 мкм, на наружные поверхности не защищенные резистивной маской;

г) активировании

д) электролитическом осаждении сплава "олово-свинец".

Металлизированные поверхности покрываются защитным слоем сплава "олово-свинец", толщина которого 15 мкм. Это производится с целью предохранения проводящего рисунка при дальнейшем травлении плат и обеспечения хорошей паяемости.

Удаление фоторезиста происходит на установке для снятия сухого пленочного фоторезиста. Платы промываются в дистиллированной воде.

Травление меди является химическим процессом, при котором участки меди незащищенные резистом удаляются с поверхности диэлектрика. Процесс травления включает в себя предварительную очистку и само травление, которое осуществляется на линии травления струйного типа, так как струйное травление обеспечивает высокую производительность благодаря тому, что с поверхностью платы постоянно соприкасается свежий раствор, поступающий из сопла. Этот метод обеспечивает травление с высокой разрешающей способностью.

Оплавление сплава "олово-свинец". После травления меди с пробельных мест наблюдается эффект нависания покрытия. Для устранения нежелательных свойств производится оплавление на установке инфракрасного облучения УИКО-92. Во время облучения температура сплава "олово-свинец" на непродолжительное время повышается до температуры, превышающей температуру плавления. В результате этого изменяется кристаллическая структура сплава, и он под воздействием сил поверхностного натяжения собирается в пределах проводника.

Обрезка плат по контуру осуществляется после изготовления печатных проводников. Такое построение ТП объясняется тем, что травитель, используемый при производстве ПП, может глубоко проникнуть в диэлектрик и вызывать короткие замыкания, и низкое сопротивление изоляции. Наружный контур получают фрезерованием.

Маркирование ПП необходимо для обеспечения удобства сборки. Для этого на поверхность платы наносят условные обозначения элементов. Для определения узла, к которому относится ПП, наносится шифр платы. На поверхности платы указывается заводской номер и дата изготовления.

Консервацию осуществляют с помощью флюса ФКСП. Флюс распыляют на поверхности платы и в отверстия в специальных распылительных камерах.

Упаковка производится в специальные полиэтиленовые пакеты.

2.3 Выбор варианта ТП изготовления блока

ТП изготовления разработанного устройства представляет собой комплекс действий исполнителей и оборудования по преобразованию исходных материалов и комплектующих элементов в готовое изделие. При разработке ТП ставится задача нахождения такого варианта, который без всяких лишних затрат обеспечит решение поставленной проблемы. В соответствии с ЕС ТПП следует, в первую очередь, использовать типовые технологические маршруты, процессы и операции. Не рекомендуется предусматривать обработку на уникальных дорогостоящих станках за исключением тех случаев, когда это технологически и экономически оправдано. Необходимо использовать только стандартный режущий и измерительный инструмент. Следует применять наиболее современные формы организации производства: непрерывные и групповые поточные линии, групповые ТП и групповые наладки. Разработка рабочего ТП должна выполняться на базе типового.

Типовой ТП сборки ТЭЗ состоит из следующих операций :

1. Подготовка навесных элементов;

2. Установка элементов на ПП;

3. Получение соединений выводов;

4. Контроль монтажа и функциональных свойств ТЭЗ;

5. Консервация.

Рассмотрим ТП более подробно.

Комплектовочная операция.

Согласно комплектовочной карте необходимо произвести комплектацию, то есть получить со склада все необходимые изделия: ПП, ИМС, разъемы и т.д. В технологическую карту записать дату выдачи со склада. Комплектующие изделия разложить в соответствующую тару.

Входной контроль ИМС и ПП.

Контроль заключается в тщательной проверке ИМС и ПП. На поверхности элементов не должно быть трещин, вмятин, сколов и других повреждений. Необходимо проверить наличие товарного знака, знака завода-изготовителя, ключа для определения первого вывода ИМС. Производится сквозная проверка работоспособности ИМС, резисторов на контрольно-проверочном стенде, т.к. отказ любой ИМС приводит к отказу всей системы. Пониженное качество отдельных деталей не исключается, исходя из следующих соображений:

1. Недостаточный контроль на входе;

2. Длительное хранение готовых изделий на складе;

3. Возможность повреждения при транспортировке.

Расконсервирование ПП.

Производится промывка ПП в ванне со спиртобензиновой смесью для удаления с ее поверхности консервирующей смазки. Для прочистки металлизированных отверстий используется специальный стержень диаметром 0,6 мм из оргстекла. Производится тщательный осмотр внешнего вида ПП с помощью увеличительного стекла. Диэлектрическое основание ПП должно быть монолитным, однородным, без вздутий, расслоений. Цвет диэлектрика должен быть однотипным, без резких границ, выделяющих какие либо области поверхности платы. Слой металлизации должен быть ровным, плотным, без сквозных протравов, трещин, неровностей краев, уменьшающих их минимально допустимую ширину. Сквозные металлизированные отверстия должны быть чистыми и свободными от включений любого рода. При проектировании ПП неучтены размеры резисторов, поэтому необходима операция формовки выводов этих элементов.

Подготовка к лужению.

Качество выполнения паяного соединения во многом зависит от тщательности подготовки соединяемых поверхностей. Для получения прочного соединения необходима хорошая смачиваемость поверхностей флюсами и припоями, которая зависит как от свойств материала, так и от формы шероховатостей поверхностей, наличия на соединяемых поверхностях органических загрязнений, ржавчины, оксидных и жировых пленок. Подготовка поверхностей будет проводиться химическим методом. При химическом способе паяемые поверхности обрабатываются спиртобензиновыми или спиртофреоновыми смесями, путем окунания их в ванну со смесью. Затем производится промывка выводов в теплой проточной воде.

Предварительное обслуживание паяемых поверхностей.

Лужение заключается в покрытии соединяемых деталей тонкой пленкой припоя, которая должна быть сплошной, без трещин, пор, посторонних включений. Лужение производить путем окунания выводов ИМС, ДРЭ и разъема в жидкий флюс ФКС, а затем в ванну с расплавленным припоем ПОС61. Время лужения t = 1сек

Установка ИМС, ДРЭ и разъема на ПП.

Установка навесных элементов на ПП состоит из подачи их в зону установки, ориентации их относительно монтажных выводов или контактных площадок и фиксации их в требуемом положении. В зависимости от характера производства и конструктивных особенностей плат установку производят вручную, механизированным или автоматизированным способом. Автоматизированный способ применяется при сборке в крупносерийном производстве. Механизированный способ используется при укладке элементов на платы с высокой плотность компоновки. Поэтому в данном случае применение ручной сборки наиболее выгодно. При ручной сборке осуществляется также визуальный контроль.

Элементы устанавливаются на плату согласно чертежу в следующей последовательности : резисторы, конденсаторы, ИМС, разъем. Для ИМС осуществляют подгибку только двух диагонально расположенных выводов. При установке ИМС должен быть предусмотрен отвод статического электричества от монтажного с помощью заземленного браслета. Последним устанавливают разъем, совмещая его отверстия с отверстиями на плате согласно сборочному чертежу. Разъем закрепляют с помощью винтов, гаек, шайб.

Подготовительная операция.

На этой стадии производится обрезка выводов ДРЭ и разъема с помощью бокорезов.

Нанесение флюса на выводы элементов.

Механизм действия флюса заключается в том, что оксидные пленки металла и припоя растворяются, разрыхляются и всплывают на поверхность флюса. Флюсы служат для уменьшения сил поверхностного натяжения расплавленного припоя на границе металл-припой-флюс.

Наиболее широкое применение при монтажной пайке получили бескислотные флюсы (канифоль и флюсы, приготовленные на ее основе с добавлением неактивных веществ - спирта, глицерина и т.п.). Остаток канифоли не гигроскопичен и является хорошим диэлектриком. Эти флюсы, в отличии от кислотных, не оказывают коррозийного действия. Поэтому будем использовать флюс марки ФСК, представляющий собой раствор сосновой канифоли (10-40%) в этиловом спирте.

Пайка

Процесс пайки контактных соединений состоит из:

а) фиксации соединяемых элементов с предварительно подготовленными поверхностями для пайки;

б) нагрева поверхностей пайки до заданного значения температуры в течении ограниченного времени;

в) введения в зону пайки флюса и припоя в необходимых и достаточных для пайки дозах;

г) расплавления припоя с максимальным смачиванием им поверхности пайки;

д) остывания припоя в условиях, исключающих взаимное перемещение паяемых деталей.

Большое влияние на качество пайки оказывает марка выбранного припоя. Припой должен быть с заданными электрическими характеристиками, легко вытеснять флюс, образуя с основным металлом соединения достаточной механической прочности, а так же обладать определенной плотностью, коэффициентом теплового расширения и антикоррозийными свойствами. Наилучшее качество пайки обеспечивает эвтектический припой. Важное его свойство - узкий диапазон температур для кристаллизации. Припой ПОС61 близок к такому типу припоя. Кроме того, ПОС61 имеет низкую температуру плавления, высокую устойчивость к коррозии. Так как заказчик располагает средствами только для групповой пайки путем погружения платы в расплавленный припой, то выберем этот метод пайки. Время выдержки при температуре припоя Т=240 °С составляет 2…5 сек. Необходимо поддерживать постоянный уровень припоя в ванне и следить за чистотой зеркала припоя, очищая при необходимости от оксидной пленки.

Удаление флюса.

После пайки необходимо тщательно очистить и отмыть узлы и паяные соединения от загрязнений, способных привести к коррозии и снижению сопротивления диэлектрических материалов. Используем для удаления флюса последовательное погружение в ванну со спиртобензиновой смесью, затем в ванну с горячей и холодной водой. Продолжительность выдержки в каждой ванне около 1 минуты.

Контроль качества пайки производится визуально.

Паяная поверхность должна быть блестящей, ровной, без вздутий, раковин и острых выступов припоя. Дефекты устраняются с помощью паяльника и флюса ФКС путем нанесения небольшого количества флюса на место дефекта и снятия избытка припоя паяльником. Осмотр проводить с помощью увеличительного стекла.

Маркировка производится для повышения ответственности изготовителя блока устройства. Черными чернилами наносится номер устройства, дата изготовления и код цеха или завода изготовителя. При этом дается отметка в техпаспорте на блок.

Проверку на работоспособность проводят на заранее разработанных стендах. В случае неисправности устройства для поиска дефекта применяют осциллограф, с помощью которого можно сравнивать временные диаграммы работы схемы в определенной точке с эталонными. В случае отказа в карточке отказа указываются выявленные при первичном анализе причины и отмечается, как установленные причины отказа влияют на работу других элементов схемы. В техпаспорте делается отметка о дате отказа, причине, элементах схемы, подлежащих замене. Повторное включение производится только после устранения дефекта.

Вторичный монтаж включает в себя демонтаж элементов, вышедших и строя и обнаруженных в процессе проверки. Общее число таких элементов не должно превышать 5,5% , в противном случае плата забраковывается. Повторная пайка замененных элементов производится вручную. Время касания паяльником выводов элементов не превышает 3сек. Повторное касание производится не ранее, чем через 15 сек.

Очистка мест повторной пайки производится с использованием щетинной кисти и спиртобензиновой смеси.

Выходной контроль устройства предназначен для установления соответствия изделий физическим и электрическим параметрам. Все ИМС должны быть припаяны без перекосов. Корпус разъема должен вплотную стоять на плате. На наружной поверхности ПП не должно быть вмятин, царапин и других дефектов, способных повлиять на качество.

Лакировка плат и сушка устраняют влияние климатических воздействий, а так же для повышения коррозийной стойкости. Для этих целей используют лак УР231. Сушка производится горячим воздухом при t = 40..60°С. После этого плата ставится в тару и упаковывается.

2.4 Анализ технологичности конструкции изделия

Согласно ГОСТ 14.205-803 под технологичностью следует понимать совокупность свойств конструкции изделия, определяющую ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ.

Основным показателем оценки технологичности конструкции является комплексный показатель технологичности, который определяется с помощью базовых показателей по формуле:

где Ki - значение базового показателя;

_i - значимость показателя;

i - порядковый номер показателя;

S - общее число показателей.

Расчет базовых показателей технологичности.

1. Коэффициент использования ИМС в блоке

К_{исп.имс} = Н_имс /(Н_имс +H_эрэ),

где

Н_имс = 27 - число ИМС;

Н_эрэ=1 - общее число элементов в блоке;

К_{исп.имс} = 27 / (27+1) = 0,96 (₁ = l)

2. Коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделий.

К_а.м. = Н_а.м. / Н_м,

где

Н_а.м. - число монтажных соединений, осуществляемых механизированным или автоматизированным способом;

Н_м - общее число монтажных соединений;

К_а.м.=1 (Н_а.м=Н_м) (₂ = 0,2)

3. Коэффициент повторяемости ИМС :

К_п.имс = 1 - Н_т.имс / Н_имс,

где

Н_т.имс = 4 - число типоразмеров ИМС в блоке;

Н_имс =27 - общее число ИМС;

К_п.имс = 4 - 4/27= 3,8 (₃ = 0,31)

4. Коэффициент прогрессивности формообразования деталей :

К_ф=Д_пр. / Д,

где

Д_пр. - число деталей, которые получены прогрессивными методами формообразования;

Д - общее число деталей

К_ф=0 (₄=0,11)

5. Коэффициент механизации автоматизации операций контроля и настройки параметров:

К_мнп = Н_мнп / Н_кн,

где

Н_мнп - число операций контроля и настройки параметров, осуществляемых автоматическим или механическим методом;

Н_кн - общее число операций контроля и настройки;

К_мнп = 1 (₅=0,5)

С учетом полученных коэффициентов найдем К :

К ⁼ (0,96*1 + 1*0,2 + 3,8*0,31 + 0*0,11+1*0,5)/(1+0,2+0,31 +0,11 + 0,5) = 1,34

В целях обеспечения высокого технического уровня изделий для всех предприятий, разрабатывающих и выпускающих приборы и РЭА, устанавливаются нормативы комплексных показателей, которые характеризуют допустимый предел технологичности, ниже которого показатели вновь разрабатываемого изделия быть не должны. Согласно ОСТ ЧГО. 091.219 норматив комплексного показателя для электронных блоков К_и=0,5..0,8.

Оценка уровня технологичности проектируемого изделия при известном нормативном комплексном показателе должна удовлетворять условию:

К / К_и 1.

В нашем случае К / К_и 1,34 / 0,8 = 1,68.

На основании этого можно сделать вывод о технологичности устройства.

Качественная оценка технологичности изделия.

Данное устройство выполнено на ПП, размер которой 100*180 мм точно соответствует принятому размеру в конструкционной системе микроЭВМ. Повышение технологичности изделия обеспечивает применение в разработанном устройстве стандартных элементов. Установка ИМС на ПП производится рядами, что упрощает процесс сборки платы. Отсутствие объемного и жгутового монтажа повышает технологичность конструкции.

2.5 Расчет нормы времени

Норма времени - регламентированное время для выполнения некоторого объема работ в определенных производственных условиях одним или несколькими исполнителями соответствующей квалификации.

Норма штучного времени Т_ш - время, затрачиваемое на выполнение одной операции по изготовлению одной детали или сборке одной сборочной единицы.

Т_ш = Т_о + Т_в + Т_обс + Т_отд ,

где

Т_о - основное время, затрачиваемое на изменение и последующее определение состояния объекта;

Т_в - вспомогательное время, затрачиваемое на выполнение приемов, необходимых для обеспечения изменения и последующего определения состояния предмета труда;

Т_обс - время обслуживания рабочего места, затрачиваемое исполнителем на поддержание средств технического оснащения в рабочем состоянии и уход за рабочим местом:

Т_обс = (0,01...0,07) * Т_оп.

Т_отд - время необходимых перерывов в работе, затрачиваемое на личные потребности и дополнительный отдых:

Т_отд ⁼ 0,02 * Т_оп

T_oп - оперативное время, затрачиваемое на осуществление работы, результатом которой является выполнение заданной операции:

T_oп ⁼ Т_о +Т_д

Рассчитаем Т_ш на операцию пайки

T_оп ⁼ 0,8 мин

Т_обс = 0,05 * 0,8 = 0,04 мин

Т_отд = 0,02 * 0,8 ⁼ 0,016 мин

Т_ш = 0,8 + 0,04 + 0,016 = 0,856 мин

2.6 Основные требования к ТП

1. При работе с ИМС на руку надеть браслет, предварительно заземлив его.

2. Не допускается использование восстановленных деталей и замена материалов комплектующих изделий, которые могут привести к ухудшению технических характеристик и внешнего вида изделия.

3. Работа с платами производится на металлическом листе, заземленном через R = l MОм.

4. Дефекты пайки исправлять паяльником со встроенной термопарой и системой автоматического регулирования температуры.

5. Периодически, после операции лужения производить проверку выводов элементов на паяемость.

6. Во всех производственных помещениях должна быть обеспечена стабильность температуры и влажности воздуха в заданных пределах. Помещения должны очищаться от пыли путем влажной обработки.

7. Организация рабочих мест и выполнение правил личной гигиены по СТП 610-459.

8. Правила техники безопасности согласно ТБ-104.

Условные сокращения

ДРЭ - дискретный радиоэлемент

ИМС - интегральная микросхема

ПП - печатная плата

ТП - технологический процесс

Заключение

В данном курсовом проекте произведена разработка конструкции и технологического процесса изготовления печатной платы. Обоснован выбор серии элементов. Рассчитаны параметры печатной платы.

Получены следующие характеристики блока устройства:

выбранная серия - К 561;

потребляемая мощность - 6,3 мВт;

размер платы - 100*180мм;

вероятность безотказной работы в течении 1000 ч. - 0,79.

Спроектированная печатная плата полностью удовлетворяет требованиям технического задания.

Список литературы

1. Гузаиров М.Б. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине "Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ ", УГАТУ, Уфа, 1995.-18 с.

2. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат: Учебник. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. - 560 с.

3. Савельев А.Я., Овчинников В.А. Конструирование ЭВМ и систем. - М.: Высшая школа, 1988.- 305с.

4. Шило В. П. Популярные цифровые микросхемы: Справочник.2- е изд. Испр.- Челябинск: Металлургия, 1989.- 352 с.

5. ГОСТ 2.707- 81. Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники.- М.: Изд- во стандартов, 1981.- 16 с.

Размещено на Allbest.ru