Обоснование выбора материалов печатной платы

Фольгированный диэлектрик печатной платы.

Существует ряд требований к материалу, применяемому при изготовлении печатной платы:

- малая диэлектрическая проницаемость ( не более 6, во избежание паразитной емкости между проводниками);

- малый тангенс угла диэлектрических потерь в рабочем диапазоне частот ( не более 0,07 на частоте 1МГц );

- высокая электрическая прочность ( не менее 15 КВ/мм );

- высокое удельное поверхностное сопротивление изоляции ( не менее 10 Ом );

- высокое объёмное сопротивление изоляции (не менее 10 Ом/см);

- достаточная нагревостойкость для пайки погружением,

t = 240 - 260C, при времени воздействия 10-15сек.;

- стабильность электрических параметров;

- штамповкой, фрезерованием;

- хорошее сцепление металла с диэлектриком;

- сохранение своих свойств в процессе изготовления и при последующем воздействии климатических факторов.

Стеклотекстолит является основным рекомендуемым материалом, применяемым при изготовлении печатных плат.

Сравнительные характеристики материалов печатных плат приведены в таблице

В качестве материала для печатной платы используем стеклотекстолит фольгированный марки СФ-1-35 , так как изготовление платы производим полуаддитивным методом.

Припой

Припой - это специальный сплав, предназначенный для создания прочного механического шва и получения надёжного электрического контакта с малым переходным сопротивлением. контакта. Припои в основном разделяются на два типа: легкоплавкие(>450С) и тугоплавкие (<450С). Припой, необходимый для изготовления данного изделия должен соответствовать следующим условиям:

- легкоплавкость, т.е. его температура плавления должна быть ниже температуры плавления самих материалов;

- обладать хорошей электропроводностью;

- приемлемая механическая прочность, способная обеспечить надежное механическое соединение;

- достаточная смачиваемость поверхностей и растекаемость;

- при использовании припоя, должна быть исключена возможность образования интерметаллических соединений;

- припой, по возможности, не должен содержать дефицитных компонентов;

- низкая себестоимость применяемого припоя;

Ниже, в таблице рассмотрены сравнительные характеристики отдельных припоев.

Сравнительная характеристика припоев

Из выше перечисленных типов припоев, наиболее оптимально использование припоя ПОС-61, соответствующего ГОСТ 21931-72.

Этот тип припоя представляет собой сплав Олово(61%)-Свинец(39%) характеризуется достаточной растекаемостью и смачиваемостью, достаточной электропроводностью и хорошей прочностью. Также его отличает низкая температура плавления, 190С, и небольшое время пайки (не более 3 секунд).

Флюс

Этот материал необходим для защиты поверхностей, соединяемых при пайке, металлов, от влияния окружающей среды, способствующей их окислению. Использование флюса, при пайке, существенно повышает качество и долговечность соединения. Сравнительные характеристики флюсов приведены таблице.

При выборе флюса необходимо учитывать следующие условия:

- хорошая смачиваемость;

- более низкая температура плавления, чем у припоя, примерно на 50-100С;

- хорошая удаляемость флюса с поверхности;

- способность к растворению оксидной пленки;

- отсутствие химической активности;

- малая стоимость.

Сравнительная характеристика флюсов.

На основе выше изложенных данных выбираем флюс ФКСп, т.к. он отличается низкой химической активностью, совместно с припоем марки ПОС, обладает низкой стоимостью, легко удаляется после применения.

1.4 Подготовка исходных данных для автоматизированного проектирования

Автоматизированное проектирование обладает большими преимуществами, по сравнению, с обычными методами проектирования. Но, успешное проектирование с помощью ЭВМ-это выбор из массы всех возможных вариантов, наиболее оптимального, исходя из некоторого набора исходных данных.

Правильный выбор и расчет исходных данных (параметры печатного монтажа) во многом определяют качество, технологичность и надежность печатного узла, разработанного на основе этих данных. Подобные исходные параметры зависят от предполагаемых: типа устройства, условий его будущей эксплуатации, требований по надежности, электрических параметров. Эти данные включают в себя:

- выбор шага координатной сетки;

- выбор допустимых отклонений конфигурации проводников и осей отверстий;

- номинальный диаметр отверстий;

- номинальная ширина проводников;

- номинальное расстояние между двумя проводниками;

- номинальный диаметр контактной площадки;

Первые два пункта исходных значений зависят от плотности монтажа РЭА на печатной плате. Повышение плотности монтажа дает возможность уменьшения габаритов печатного узла, но при этом уменьшаются допустимые напряжения на элементах схемы, увеличиваются паразитные ёмкости, что влияет на работу высокочастотных цепей, снижается механическая прочность сцепления проводников с диэлектрической подложкой, что может привести к отслаиванию проводников; повышаются требования к точности обработки материала, размерам конфигурации проводников, положению и диаметру отверстий, что обуславливает применение точного оборудования, и как следствие, удорожание печатного узла. Поэтому высокую плотность монтажа используют лишь в отдельных, технических обоснованных случаях. При проектировании данного изделия, предполагается проводить проводники в узких местах, т.е. в том числе между выводами микросхем. Поэтому т.к. стандартное расстояние между выводами ИМС, 2,5 мм, то шаг координатной сетки составит 2,5 мм. Конфигурацию проводников в таком случае следует выдерживать с отклонением, не более ±0,5 мм.

Остальные параметры, рассчитываются исходя из параметров элементов печатного монтажа, а также с учетом допустимых отклонений. Для печатных плат существует определённое разбиение по 5 классам, исходя из размеров элементов печатного монтажа. Подготовку исходных данных будем проводить исходя из первого класса.

Данные приведены в таблице классов печатных плат.

Параметры отдельных классов печатных плат.

1.Расчет номинального диаметра отверстий:

d=dэл + r

где: d - номинальный диаметр отверстия;

dэл - диаметр вывода элемента;

r - зазор, необходимый для свободной установки элемента,

с учетом отклонений диаметра отверстий, r = 0,4 мм

Номинальный диаметр отверстий для выводов элементов:

d2 = 0,5 + 0,5= 1 мм

2. Расчет номинальной ширины проводников:

t = t +/to/

где: t - номинальная ширина проводника;

tн - необходимая ширина проводника, tн =0,75 мм;

tо - предельное отклонение ширины проводника;

/ tо/=0,15 мм

Нормальная ширина проводников:

t = 0,75+0,15=0,9 мм

3. Расчет номинального диаметра контактной площадки:

dk = d + 2b + c

где: dk - номинальный диаметр контактной площадки;

d - диаметр отверстия;

b - необходимая радиальная толщина контактной площадки,b=0,25 мм.

c - коэффициент, учитывающий влияние разброса межцентрового расстояния, c=0,6 мм.

Номинальный диаметр контактной площадки для переходных (d1), отверстий выводов элементов(d2)

d1 = 0,5+2*0,25+0,3 = 1,3 мм

d2 = 1,0+2*0,25+0,3 = 1,8 мм

4. Расчет номинального расстояния между соединениями проводниками:

b = bн +/ tо/

где: b - номинальная ширина проводника;

bн - необходимая ширина проводника, bн = 0,75 мм

tо - предельное отклонение ширины проводника,

/tо/ =0,15 мм

Номинальное расстояние между соединениями проводниками:

b = 0,75+0,15 = 0,9 мм

Результаты расчетов сведены в таблицу.

Номинальные параметры элементов печатного монтажа.

1.5 Разработка конструкции печатной платы и печатного узла

Разработка конструкции печатной платы, как правило, включает в себя следующие операции:

1. Компоновка - разработка примерного макета печатной платы, при которой производится установка всех необходимых навесных элементов, размещение их таким образом, что длина электрических соединений между ними равнялась минимуму. В результате этой операции проектирования, определяется местоположение всех контактных площадок, для установки всех навесных элементов.

2.Трассировка - процесс разводки печатных проводников. Данная операция необходима, во-первых, для соединения отдельных контактных площадок между собой. Во-вторых - для упорядочивания проведенных проводников с целью минимизации их длины и количества переходов между слоями печатной платы.

3.Заключительная операция, которая предполагает создание чертежа печатной платы, с учетом всех существующих требований стандартов. При компоновке навесных элементов следует учитывать, прежде всего, особенности самих элементов. Микросхемы и полупроводниковые приборы не следует устанавливать в местах, где на них будут действовать сильные магнитные поля и тепловое излучение от других ЭРЭ. Если ЭРЭ являются источником теплового излучения, их рассредоточивают по поверхности платы, и/или предусматривают возможность конвекции, и/или устанавливают на них радиаторы. Подстрочные элементы, а также ЭРЭ, подбираемые при настройке аппаратуры; заменяемые в процессе эксплуатации и технического обслуживания элементы (плавкие предохранители, электронные лампы) размещают в доступных местах.

Следует избегать размещать на плате элементы, которые могут быть источниками механической нагрузки на плату: кнопки, тумблеры, часто соединяемые и разъединяемые в процессе эксплуатации разъёмные, соединения; трансформаторы. Если их размещение на плате необходимо, предпочитают размешать их ближе к элементам крепления платы.

Иногда элементы, предназначенные для управления, оптимально вообще вынести за пределы платы, при этом обеспечить возможность подключения этих элементов к плате. В этом случае, контактные площадки под провода, а также разъёмные соединения, предназначенные для связи печатного узла с другими элементами и цепями, предпочтительнее располагать ближе к краю платы в одном месте, либо в разных местах группами.

При разведении печатных проводников желательно избегать острых углов. В узких местах между двумя отверстиями проводник желательно разместить перпендикулярно линии, соединяющей центры этих отверстий. Следует заполнить элементами и проводниками всю площадь платы. Также желательно обеспечить примерную одинаковую плотность размещаемых проводников на печатной плате.

Пункты 1 и 2, разработки конструкции печатной платы, являются тесно взаимодействующими процессами, т.к. практически всегда успешность разводки печатных проводников зависит от расстановки навесных элементов. Поэтому, при неудачной разводке проводников, т.е. когда невозможно соединение 100% всех контактных площадок между собой, приходится возвращаться к компоновке навесных элементов и искать более оптимальное расположение элементов. В виду всего вышеперечисленного, процессы компоновка и разводка, требуют при разработке значительное время.

Для ускорения работы, в настоящее время, применяют системы автоматизированного проектирования. Данная система проектирования представляет собой как минимум рабочее место, оснащенное ЭВМ с установленным необходимым для проектирования набором программ. В качестве системы автоматизированного проектирования для данного изделия использовался пользовательский персональный компьютер с пакетом программ PCAD или Auto CAD, а конкретно для разработки использовался Visio 2000. Для разработки принципиальной электрической схемы использовалась программа Visio 2000.

В качестве исходных данных ЭВМ использует предварительно записанные в её память перечень элементов, входящих в устройство, таблицу соединений между ними, общие характеристики печатной платы (форма и размеры, количество слоев, шаг координатной сетки и др.). С развитием компьютерной техники, в настоящее время, существуют средства проектирования позволяющие альтернативный вариант -- одновременная установка навесных элементов и ручная/автоматическая разводка печатных проводников между контактными площадками.

Чертеж печатной платы, включает в себя основные проекции платы с печатными проводниками и отверстиями. На чертеже также размещаются таблицы с основными параметрами печатных проводников и отверстий. Они содержат информацию о ширине проводников, диаметрах контактных площадок и отверстий, их количество, и расстояние между ними в стандартных и узких местах печатной платы.

Также на чертеж выносятся основные технические требования, в которых указывается номер ГОСТа, ОСТа или ТУ, которым они соответствуют, указывается шаг координатной сетки, метод изготовления печатной платы, метод указания первых выводов ИМС, тип краски и шрифт для нанесения условных обозначений на печатную плату.

Форму платы желательно выбрать прямоугольной, если выбор иной формы не является технически обоснованным. Материал и толщина печатной платы, в соответствии с требованиями технической документации, указывается в штампе, расположенном в нижнем правом углу чертежа.

1.6 Оценка надежности изделия

Надежность - свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

Работоспособность - это такое состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя значение заданных параметров в пределах, установленных технической документацией.

Более широкое понятие - исправность, которое дополнительно предъявляет требования ко всем данным документации, в том числе, внешнему оформлению, что неважно для работоспособности.

Нарушение работоспособности называется отказом. Неисправность - это несоответствие любому требованию технической документации к изделию. Неисправность может привести к отказу.

Классификация отказов:

По характеру изменения параметров до момента возникновения:

внезапные, возникающие в результате мгновенного изменения параметра;

постепенные, возникающие в результате постепенного изменения параметров;

По характеру устранения:

устойчивые - которые могут быть устранены только оператором;

самоустраняющиеся - сбои, перемежающиеся отказы;

По внешним проявлениям:

явные, которые можно обнаружить при внешнем осмотре;

неявные, которые обнаруживаются в результате специального контроля;

По причине возникновения:

конструкционный;

технологический;

эксплуатационный;

Безотказностью называется свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Суммарное время фактической работы изделия до отказа называется наработкой.

Ремонтопригодность - это свойство изделия, заключающееся в приспособлении к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонта.

Долговечность - это свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта.

Предельное состояние определяется технической непригодностью изделия. Надежность изделия определяется сочетанием вышеперечисленных свойств.

Расчёт надёжности

Интенсивность отказов - характеризует вероятность отказа изделия в единицу времени. Все значения интенсивности отказов () и поправочных коэффициентов (a_i) были взяты из справочника с учетом температуры окружающей среды равной , и сведены в таблицу для расчета интенсивности отказа объекта ().

Исходя из таблицы рассчитываем интенсивность отказа объекта по формуле:

Средняя наработка на отказ - ожидаемая наработка объекта до первого отказа. Рассчитывается по формуле:

Вероятность безотказной работы - вероятность того события, что в пределах заданной наработки, т.е. заданного интервала времени отказ объекта не возникнет. Статически приближенное значение вероятности безотказной работы рассчитывается с учётом того что t=1000 ч:

2. Технологический раздел

2.1 Анализ технологичности конструкции

Под технологичностью конструкции изделия (ГОСТ 18.831-73) понимают совокупность свойств конструкции изделия, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте по сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкций изделий того же назначения при обеспечении установленных значений показателей качества и принятых условиях изготовления, эксплуатации и ремонта. К условиям изготовления или ремонта изделия относятся тип, специализация и организация производства, годовая программа и повторяемость выпуска, а также применяемые технологические процессы. В зависимости от вида технологичности конструкции различают производственную, эксплуатационную, ремонтную технологичность и технологичность при техническом обслуживании, технологичность конструкции детали и сборочной единицы, а также технологичность конструкции по процессу изготовления, форме поверхности, размерам и материалам. К качественным характеристикам технологичности конструкции относят взаимозаменяемость, регулируемость, контролепригодность и инструментальную доступность конструкции.

Стандарты ЕСТПП предусматривают обязательную отработку конструкций на технологичность на всех стадиях их создания. Отработка конструкции изделия на технологичность (ГОСТ 14.201-73) направлена на повышение производительности труда, снижение затрат и сокращение времени на проектирование, технологическую, подготовку производства, изготовление, техническое обслуживание и ремонт изделия при обеспечении необходимого качества изделия.

Характеризует конструкцию изделия при сравнении ее с соответствующими показателями однотипных конструкций того же назначения, при тех же условиях изготовления, эксплуатации и ремонта. Различают два основных вида технологичности:

Производственная - сокращение затрат средств и времени на конструкторскую и технологическую подготовку производства и процесса изготовления;

Рассчитываем основные показатели технологичности:

1. Коэффициент применяемости деталей:

2.Коэффициент повторяемости ЭРЭ:

3.Коэффициент повторяемости микросхем и сборок:

4.Коэффициент использования микросхем и микросборок:

5.Коэффициент установочных размеров ЭРЭ:

6.Коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделия:

7.Коэффициент применения типовых технологических процессов:

Базовые показатели технологичности.

- коэффициент весовой значимости

Расчет комплексного показателя технологичности:

Расчет уровня технологичности находится через отношение достигнутого комплексного уровня технологичности к базовому показателю. Нормативные базовые показатели для различных стадий разработки изделия приведены в таблице Нормативов комплексных показателей. Анализ технологичности проводим на стадии опытного образца.

Нормативы комплексных показателей

Уровень технологичности изделия:

Вывод: Из результатов расчёта можно сделать вывод, что конструкция технологична.

2.2 Анализ исходных данных для разработки техпроцесса

Исходные данные для разработки технологического процесса, это прежде всего комплект конструкторской документации (сборочный чертеж и спецификация), программа и плановые сроки выпуска, руководящий и плановый нормативный материал. Помимо досконального изучения этих материалов, также в расчет принимаются условия, в которых предполагается производить действующее или новое изделие. Выводы, полученные в результате проведения этого анализа используются при разработке плана технологической подготовки и запуска изделия.

Спецификация, является источником данных для определения элементного состава печатного узла, определяет количество элементов необходимых на одно изделие. На сборочном чертеже указаны определенные технологические требования, в том числе варианты установки элементов, тип используемого припоя. Эти требования определяют порядок и набор технологических операций, в последствии включенных в техпроцесс. Техническое оборудование, настраивается исходя из заданных на сборочном чертеже, габаритных размеров. Основные стандарты, указанные для каждого элемента в спецификации, устанавливают требования обработки для этого элемента, т.е. определяют параметры формовки, лужения и пайки элементов, в том числе и ИМС, минимальное расстояние от корпуса, до места лужения и пайки, необходимость применения теплоотвода, ограничения при выполнении типовых технологических операций.

Техпроцесс на основе исходных данных должен представлять собой руководство по оптимальной последовательности выполнения возможных технологических операций, должен указывать технологические режимы выполнения операций и рекомендации по использованию стандартного оборудования и оснастки.

2.3 Разработка техпроцесса на сборку и монтаж

Любой разрабатываемый техпроцесс, как правило, состоит из определенных групп операций: контрольные операции => Заготовительно-подготовительные операции => Основные операции => Защитные и заключительные операции.

Контрольная операция обеспечивает различные типы контроля на всех основных стадиях процесса изготовления изделия. Своевременное обнаружение дефектов или некачественно выполненной работы, позволяют исправить брак, и уменьшить таким образом нанесенный предприятию ущерб. Выделяют следующие виды контроля:

входной контроль позволяет исключить установку в изделие бракованных элементов, что значительно снижает стоимость изделия.

межоперационный контроль выполняется на операциях, которые трудно проверить на готовом изделии или требуются исправления в процессе монтажа.

контроль готового изделия определяет его работоспособность и соответствие чертежу.

К заготовительно-подготовительным операциям относятся операции лужения и формовки, т.е. подготовка элементов для сборки и монтажа:

Лудильная - покрытие выводов элемента расплавленным припоем с целью улучшения пайки выводов. В качестве покрытия применяют тот же припой, что и при пайке.

Формовочная - изменение формы и (или) его длины с целью упрощения установки элемента на плату. Выполняется в полном соответствии со сборочным чертежом, где указаны варианты установки элементов на плату.

Промывочная - необходима для подготовки печатной платы к дальнейшей обработке.

Маркировочная - включает в себя нанесение позиционных обозначений элементов, в соответствии со сборочным чертежом.

Основные операции, как правило, определяются типом технологического процесса. В данном случае производится разработка техпроцесса на сборку и монтаж, поэтому соответственно основными операциями техпроцесса будут Сборочная и Монтажная операции.

Сборочная операция -- включает в себя механическое соединение деталей: соединение с помощью детального крепежа, склеивание, сварка деталей и т.д.

Монтажная - включает себя установку элемента и ИМС на плату и операции контактирования (пайка, сварка, накрутка). Пайка - процесс соединения двух металлических деталей расплавленным припоем, который, затвердевая, образует паяный шов.

К заключительным операциям можно отнести операции отмывки и сушки, а также упаковочную операцию.

Отмывка и сушка - отмывка выводов ЭРЭ и ИМС, также узла целиком от остатков флюса. Сушка изделия после промывки.

Упаковочная операция - является завершающей, предполагает подготовку готового печатного узла, к транспортировке.

Сравнительно недавно, в состав заключительных операций и операций контроля входила операция лакировки и проверки ее качества. Но поскольку типовой техпроцесс, по определению, является процессом, разрабатываемым с учетом последних достижений науки и техники, с учетом опыта рабочих-новаторов, и преследует в первую очередь достижение оптимального цикла производства, поэтому в настоящее время, эти операции не являются обязательными и поэтому исключаются для оптимизации производственного процесса.

3. Выбор материалов