автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Проектирование печатных плат с применением автоматизированного программного средства и технологии внутреннего монтажа

На правах рукописи

Аветисов Альберт Георгиевич

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С ПРИМЕНЕНИЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА И ТЕХНОЛОГИИ ВНУТРЕННЕГО МОНТАЖА

Специальность 05.02.22 - Организация производства

(в области радиоэлектроники)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва —2012

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Конструирование и производство радиоэлектронных средств» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики».

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Давлетчин Дамир Исхакович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Лёгкий Николай Михайлович

кандидат технических наук Старченко Сергей Анатольевич

Ведущая организация МИТХТ им. М.В. Ломоносова

Защита состоится 29 ноября 2012 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д212.131.04 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики» по адресу: 119454, г. Москва, пр. Вернадского, 78.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики.

Автореферат разослан «_»_2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Замуруев Сергей Николаевич

.....-------------, 3

' ; ; 1'л ^ 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Основным конструктивным элементом современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) является печатная плата (ПП). От того, как качественно будет спроектирована конструкция ПП, -зависит и качество конечного изделия, в состав которого входит ПП, как основной конструктивный элемент. Поэтому необходимо правильно определить материал ПП, количество слоев ПП, технологию изготовления, класс точности, технологию монтажа радиоэлементов на ПП, тип финишного покрытия и припоя.

Следовательно, при проектировании РЭА следует уделять повышенное внимание коиструкторско-технологическому проектированию ПП.

В настоящее время для решения задач конструкторско-технологического проектирования ПП широко используются системы автоматизированного проектирования (САПР) ПП, которые применяются при компоновке радиоэлементов на подложке ПП и трассировке печатных проводников в соответствии с электрической принципиальной схемой. Применение САПР ПП позволяет эффективно и быстро спроектировать конструкцию ПП.

Кроме того, существует необходимость дальнейшего совершенствования САПР, заключающегося в разработке и применении на производстве автоматизированных программных средств, базирующихся на технологии экспертных систем (ЭС), или инженерии знаний для поддержки принятия решения инженеру-конструктору на этапе консзрукторско-технологического проектирования ПП.

Более того, конструкторско-технологическое проектирование ПП связано с требованиями увеличения плотности монтажа, уменьшения геометрических размеров и веса при одновременном увеличении функциональных возможностей. Это требует разработки принципиально новых подходов при создании радиоэлектронных средств (РЭС). Одним из таких подходов является переход к технологии внутреннего монтажа.

Целыо диссертационной работы является разработка метода автоматизированного конструкторско-технологического проектирования ПП, конструкции и технологии изготовления ПП со встроенными активными и пассивными компонентами.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

■ анализ материалов ПП;

■ анализ технологий монтажа радиоэлементов на ПП;

■ анализ технологий изготовления ПП;

■ формулировка правил для автоматизированного программного средства;

" разработка программного обеспечения.

Объектом исследования является проектирование и технология производства ПП РЭС.

Предметом исследования являются материалы, технологии и программы, применяемые для проектирования и производства ПП РЭС.

В основе проводимых в диссертационной работе исследований были использованы следующие методы: сравнительный анализ - при анализе материалов ПП, технологий монтажа радиоэлементов на ПП, технологий изготовления ПП; методы искусственного интеллекта; концепции логического программирования.

Научная новизна:

■ впервые предложена конструкция и технология изготовления гибко-жёсткой ПП (ГЖП) со встроенными активными (по технологии внутреннего монтажа) и пассивными компонентами;

■ разработано автоматизированное программное средство для конст-рукторско-технологического проектирования ПП;

■ предложены конструкторско-технологические решения миниатюризации конструкции ПП полярографа ПЛС-2А.

Положения, вмиосиммс на защиту:

I 11овая конструкция ПП универсального полярографа, позволяющая уменьшить габаритные размеры.

2. Организация производства ГЖП со встроенными активными и пассивными компонентами.

3. База знаний автоматизированного программного средства.

4. Автоматизированное программное средство для решения задач конст-рукгорско-технологического проектирования ПП.

Практическая значимость и внедрение результатов работы

Полученные результаты исследования имеют огромную практическую значимость и могут быть рекомендованы для широкого применения на предприятиях радиоэлектронной отрасли.

Конструкцию ГЖП со встроенными активными и пассивными компонентами рекомендуется применить в РЭА, в которой требуется уменьшить вес и объём, что имеет огромное значение в связи с тенденций микроминиатюризации.

Внедрение на производство интеллектуальных программ - ЭС, позволит наиболее эффективно спроектировать конструкцию РЭА, в состав которой входит ПП.

Предложенные решения позволят повысить надёжность и функциональность РЭА. что, в свою очередь, имеет огромное значение для развития экономики и повышения конкурентной борьбы отечественных предприятий с зарубежными фирмами.

По результатам исследований: получен диплом лауреата на III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Искусственный интеллект: философия, методология, инновации»; получен диплом на XI Всероссийской выставке «Научно-техническое творчество молодёжи» и научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодёжи -путь к обществу, основанному на знаниях»; получены грамоты на IV, V Все-

российской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Искусственный интеллект: философия, методология, инновации»; получена п^амота на конкурсе МГТУ МИРЭА 2011 «Лучшая научная работа студентов и молодых учёных» за научную работу «Разработка экспертной системы для проектирования печатных плат радиоэлектронных средств».

Результаты исследования подтверждены двумя актами о внедрении:

■ в химико-аналитической лаборатории ГТУ «Зелсноградводоканал» МГУП «Мосводоканал»;

■ в химико-аналитической лаборатории «Щёлковский водоканал» г. Щелково Московской области.

Апробация работы

Основные результаты исследования доложены на: III, IV, V Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Искусственный интеллект: философия, методология, инновации» (г. Москва, 2009, 2010, 2011 гг.); VII Международной теплофизической школе «Теплофизические исследования и измерения при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг» (г. Тамбов, 2010 г.); I Всероссийской конференции «Радиоэлектронные средства передачи и приёма сигналов и визуализации информации» (г. Таганрог, 2011); ГП Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях»; 59, 60 и 61-й научно-технической конференции МГТУ МИРЭА (г. Москва, 2010, 2011 и 2012 гг.); IV Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» (г. Новосибирск, 2011 г.); IV Международной научно-практической конференции «Экология - образование, наука, промышленность и здоровье» (г. Белгород, 2011 г.); XVIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2012 г.); 67-й Всероссийской конференции с международным участием «RDC-20I2» (г. Москва, 2012 г.).

Публикации

По результатам исследований и практических разработок опубликовано 17 научных работ, из них 3 - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и пауки Российской Федерации (ВАК РФ), и одно учебное пособие. Общий объём публикаций - 15 пл.

Личный вклад автора

Автором лично разработана база знаний автоматизированного программного средства (ЭС) для решения задач конструкторско-технологического проектирования ГТП.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 85 наименования и трёх приложений. Основная часть работы изложена па 1 27 страницах, содержит 20 таблиц и 20 рисунков.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована научная актуальность темы, сформулирована цель и определены задачи исследования, научная новизна и значимость полученных результатов. Указаны выносимые на защиту научные положения и результаты.

В первой главе приводится обзор материалов, конструкций и технологий изготовления ПП. Кроме того, рассматриваются вопросы дальнейшей тенденции развития печатной технологии. Описано, что тенденция развития производства ПП связана с требованиями увеличения плотности монтажа, уменьшения геометрических размеров и веса при одновременном увеличении функциональных возможностей. Отмечено, что перспективной технологией монтажа является технология внутреннего монтажа. Технология внутреннего монтажа была разработана на Брянском предприятии «Кремний» в середине 1980-х го-

дов. В настоящее время отечественная технология внутреннего монтажа активно развивается и продвигается благодаря усилиям разработчика технологии Черного Б.И. и директора ООО НПП «КВП Радуга» Назарова Е.С.

Кроме того, описано, что одним из перспективных направлений процесса автоматизации проектирования является подход, основанный на применении идей искусственного интеллекта. Считается, что реализация указанного подхода возможна за счёт применения автоматизированных программных средств -ЭС.

Во второй главе проведён анализ материалов ПП, -элементной базы, технологий монтажа радиоэлементов на ПП и технологий изготовления ПП для реализации базы знаний автоматизированного программного средства.

Критериями оценки материала ПП служат возможности применения материала:

■ в конструкциях односторонних ПП, двусторонних ПП, многослойных ГГП, гибких ПП, ГЖП;

■ с высокотемпературными технологическими процессами;

■ в жёстких условиях эксплуатации;

■ в высокочастотной аналоговой или быстродействующей цифровой аппаратуре.

Критерии оценки технологий изготовления ПП:

1. Возможность получения минимальной ширины печатного проводника для заданного класса точности согласно ГОСТ 53429-2009;

2. Технологические особенности:

■ химического метода изготовления ПП;

■ аддитивного метода изготовления ПП;

■ комбинированного позитивного метода изготовления ПП;

■ тентинг-метода изготовления ПП;

■ метода металлизации сквозных отверстий, в том числе с последующим наращиванием слоев для формирования глухих и слепых отверстий.

Критерии оценки элементной базы:

■ возможность монтажа радиоэлементов пайкой волной припоя;

■ особенности технологии монтажа в случае применения только радиоэлементов, предназначенных для установки в отверстия;

■ особенности технологии монтажа в случае применения только поверх! юс гно-монтпруемых радиоэлементов;

° особенности технологии монтажа как в случае применения радиоэлементов, предназначенных для установки в отверстия, так и в случае применения поверхностно-монтируемых радиоэлементов;

■ особенности технологии монтажа в случае применения микросхем с матричными выводами.

Результаты анализа использованы для формулировки правил и разработки базы знаний автоматизированного программного средства.

Третья глава работы посвящена разработке конструкция и технологии изготовления ГЖП со встроенными компонентами. Кроме того, для определения перспективной технологии, позволяющей уменьшить габаритные размеры РЭА, проведён анализ конструкций ПП, спроектированных по трём технологиям: поверхностный монтаж, СОВ-технология, внутренний монтаж.

Определено, что важным этапом при проектировании конструкции ПП и выборе технологии монтажа радиоэлементов на ПП является оценка степени дезинтеграции микросхем:

где - площадь кристалла, площадь монтажного поля микросхемы на ПП.

Анализ показал, что монтаж бескорпусных микросхем на ПП по СОВ-технологии имеет преимущество по сравнению с установкой корпусных микросхем по технологии поверхностного монтажа, что связанно с уменьшением посадочного места микросхемы, и, следовательно, занимаемой площади на наружных слоях ПП.

Кроме того, уменьшения габаритных размеров можно добиться, применяя технологию встраивания активных (внутренний монтаж) и пассивных компонентов внутрь основы ПП.

Для определения перспективной технологии монтажа компонентов па ПП определены основные компоновочные параметры приведенных выше технологий монтажа: коэффициент использования площади ПП; коэффициент повторяемости микросхем и микросборок; коэффициент автоматизации и механизации монтажа.

Результаты оценки различных технологий монтажа приведены в таблице.

Таблица - Сравнение технологий монтажа радиоэлементов на ПП

Поверхностный монтаж СОВ-технология Внутренний монтаж

Степень дезинтеграции микросхем 1,3-19,2 1,2-6,9 1

Площадь ПП, 10'" м2 3024 2436 2058

Коэффициент использования площади ПП, К5 0,82 0,86 0,97

Коэффициент повторяемости микросхем и микросборок, ^пивт.мк. 0,44 1 1

Коэффициент автоматизации и механизации монтажа, КаЛ, 0,87 0,73 0,73

Результаты анализа данных таблицы показывают, что лучшей технологией монтажа, в связи с тенденцией микроминиатюризации, является технология встраивания кристаллов микросхем, а также пассивных компонентов внутрь ПП.

Предложена конструкция (рисунок 1) и технология изготовления (рисунок 2) ГЖП со встроенными активными и пассивными компонентами. Технология изготовления ГЖП со встроенными компонентами включает три этапа:

1. Монтаж активных компонентов (кристаллов микросхем) по технологии внутреннего монтажа.

2. Встраивание пассивных компонентов.

3. Монтаж поверхностно-монтируемых компонентов на подложку, в которую встроены активные и пассивные компоненты.

Рисунок 1 - Конструкция ГЖП со встроенными компонентами

Предлагаемая конструкция ГЖП со встроенными компонентами может быть применена в аппаратуре, в которой требуется уменьшить габариты и вес: видеокамере, цифровом фотоаппарате, ноутбуке, приборной панели автомобиля. сотовом телефоне.

В четвёртой главе разработано автоматизированное программное средство для решения задач консгрукторско-технологического проектирования 1111. На рисунке 3 приведена схема конструкторско-технологического проектирования ПП с применением автоматизированного программного средства.

Рисунок 2 - Схема процесса изготовления ГЖП со встроенными компонентами

Рисунок 3 - Схема проектирования ПП с применением программного средства

При формулировке правил для автоматизированного программного средства применялась логика высказываний и исчисление предикатов первого порядка. Кроме того, за основу декларативного описания предметной области применялась специальная форма представления в виде фактов и правил. Сформулировано 636 правил па языке логического программирования Visual Prolog 5.2.

Для того чтобы программа обращалась к конкретному правилу необходимо от пользователя (инжепера-копструктора) получить определённый ответ, который соответствуют условию в правиле. Для этого было сформулировано тридцать четыре вопроса, посредством которых осуществляется диалог программы с инженером-конструктором. Путём подбора вопросов программа извлекает хранящуюся в ней информацию: факты и правила.

Запись правила па языке Visual Prolog для выдачи рекомендаций о материале ПП имеет вид: «п<н(спросить(4)), спросить(1), спросить( 12), спро-сить(9), fad 1 (Ширина_проводника), Ширина_проводника>=0.45, fad34(D), D>=0.8, Jad8(Mamepita:i), Материал=], faci2(Te.\mepamypa), Jaci3( Частота). Te.unepamypa<=85, Частота<100000000, write ("Рекомендуется применить фольгированные гетинаксы: ХХР, FR-1, FR-2, СЕМ-1."), п1».

Программа обращается к данному правилу путём подбора следующих вопросов:

1. «Применяются микросхемы с матрицей шариковых пли столбиковых выводов, например, BGA, PBGA, TBGA, microBGA, CCGA?».

2. «Применяется только традиционная элементная база (компоненты для монтажа в отверстия)?».

3. «Группа жесткости (условия эксплуатации аппаратуры), согласно ГОСТ 23752-79, - первая?».

4. «Конструкторская сложность функционального узла - малая (общее количество задействованных выводов у микросхем до 350)?».

5. «Тип конструкции печатной платы: если жёсткая - введите I; если гибкая - введите 2; если гибко-жёсткая - введите 3?».

6. «Максимальная температура, воздействующая на ПП?».

7. «Рабочая частота, Гц?».

Правило считается истинным, если соблюдаются все условия входящие в правило. В связи с этим программа сопоставляет получеппые ответы с телом правила. Унификация тела правила будет выполнена успешно если на вопрос под номером 1 будет введён отрицательный ответ (для этого введён предикат <not>: предикат <not> будет успешным если не может быть доказана истинность данной подцели), под номером 2-4 - положительный ответ, на вопрос под номером 5 введено значение «1».

Автоматизированное программное средство позволяет инженеру-конструктору примять решение о выборе материала ПП, метода изготовления ПП, класса точности, технологии изготовления ПП, технологии монтажа радиоэлементов на ПП, типа финишного покрытия и припоя, об элементах печатного монтажа. Инженер-конструктор может принять собственное решение с учётом рекомендаций программного средства.

Разработанное автоматизированное программное средство позволяет применить её для разработки конструкций РЭА, в том числе устройств и систем телевидения, а также измерительной аппаратуры основным конструктивном элементом которых является ПП.

В пятой главе приводится практическое применение автоматизированного программного средства для проектирования конструкции ПП универсального полярографа ПЛС-2А, ПУ-1.

Предложено конструкторско-технологическое решение, позволяющее уменьшить габаритные размеры ПП универсального полярографа ПЛС-2Д без замены технологическом оснастки производства, что является экономически выгодным решением, путём применения бескорпусных кристаллов микросхем и технологии СОВ взамен габаритных корпусированных микросхем. Предложенное решение позволяет сэкономить 4992,2-10"'' м2 на ПП, что составляет 15,6% от площади ПП с габаритным размером 160x200.

В заключении приведены результаты работы и сделаны выводы.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате диссертационного исследования были решены задачи:

■ проанализированы материалы, технологии монтажа радиоэлементов, технологии изготовления ПП;

■ сформулированы правила и разработана база знании для автоматизированного программного средства;

» разработано автоматизированное программное средство для конст-рукторско-технологического проектирования ПП;

■ предложена конструкция ГЖП со встроенными активными и пассивными компонентами;

" предложены конструкторско-технологические решения миниатюризации конструкции ПП универсального полярографа ПЛС-2А;

■ разработана методика автоматизированного конструкторско-технологического проектирования ПП;

■ спроектирована конструкция ПП универсального полярографа ПЛС-2А, ПУ-1 с применением автоматизированного программного средства.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Аветисов А.Г. Разработка гибко-жёсткой платы со встроенными элементами // Проектирование и технология электронных средств. - 2010. - №4. -с. 2-7.

2. Аветисов А.Г., Салихджанова Р.М.-Ф. Анализ технологий монтажа радиоэлементов на печатные платы // Информационные технологии в проектировании и производстве. - 2011. - №4. - с. 43-50.

3. Аветисов А.Г. Салихджанова Р.М.-Ф. Интеллектуальное конструктор-ско-технологическое проектирование печатных плат // Информационные технологии в проектировании и производстве. - 2012. - №1. - с. 55-60.

Статьи и материалы конференций:

4. Аветисов А. Г., Давлетчии Д. И. Искусственный интеллект в автоматизированном проектировании печатных плат. // Искусственный интеллект: философия, методология, инновации. Материалы ГП Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. - М.: «Связь-Принт». - 2009. - с. 90-92.

5. Аветисов А. Г., Салихджанова Р. М.-Ф. Автоматизированное проектирование конструкций как средство повышения качества и себестоимости изделия. // Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг. Материалы седьмой международной теплофизической школы. Ч. П. - Тамбов: ГОУ ВПОТГТУ.-2010.-С. 180-183.

6. Аветисов А. Г., Салихджанова Р. М.-Ф. Нейро-утилиты и алгоритмы трассировки печатных плат, как метод повышения интеллектуальности автотрассировщиков. // Искусственный интеллект: философия, методология, инновации. Материалы ТУ Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. - М.: «Радио и связь». - 2010. Ч. 1. - с. 77-79.

7. Лветисов А. Г., Салихджанова Р. М.-Ф. Проектирование печатной платы в условиях экологической безопасности. // Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях: сб. докладов III Международной научно-практической конференции. - М.: МГС. - 201 I. - с. 8788.

8. Аветисов А. Г., Давлетчин Д. И. Проектирование печатных плат для вольтамперометрической аппаратуры. // Экология - образование, наука, промышленность и здоровье: сб. докладов IV Международной научно-практической конференции. - Белгород: Изд-во БГТУ. - 2011. - 4.1. - с. 223225.

9. Аветисов А. Г. Салихджанова Р. М.-Ф. Проектирование печатной платы с применением современной элементной базы. Радиоэлектронные средства передачи и приёма сигналов и визуализации информации. // Материалы первой Всероссийской конференции. - М.: Изд-во РНТОРЭС им. А. С. Попова. - 201 1. -с. 136-138.

10. Аветисов А. Г., Салихджанова Р. М.-Ф. Тенденция развития печатной технологии. // 60 Научно-техническая конференции. Сборник трудов. Ч.З. Технические науки. - М.: МГТУ МИРЭА. - 2011. - с. 104-108.

11. Аветисов А. Г. Интеллектуальное проектирование печатных плат. // Перспективы развития информационных технологий. Сборник материалов IV Международной научно-практической конференции. - Новосибирск: Издательство НГТУ,- 2011.-е. 90-94.

12. Аветисов А. Г. Разработка экспертной системы для проектирования печатных плат. // Искусственный интеллект: философия, методология, инновации. Материалы V Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. - М.: «Радио и связь». - 2011.-е. 140-142.

13. Аветисов А.Г., Давлетчин Д.И. Применение экспертной системы при проектировании печатных плат. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Материалы восемнадцатой Международной научно-технической

конференции студентов и аспирантов: Тез. докл. Т. 2. - М.: Издательский дом МЭИ. - 2012. - с. 70.

14. Аветисов А. Г., Салихджанова Р. М.-Ф. Экспертный метод проектирования печатных плат для измерительной техники // Мир измерений. - 2012. -№5.-с. 14-18.

15. Аветисов А.Г. Разработка метода автоматизированного конструктор-ско-технологического проектирования печатных плат радиоэлектронной аппаратуры. // Сборник докладов 67-й Всероссийской конференции с международным участием «Научная сессия, посвященная дню Радио». - М.: Изд-во РНТОРЭС им. А. С. Попова. -2012.-е. 207-209.

16. Аветисов А.Г., Салихджанова Р. М.-Ф. Проектирование печатных плат со встроенными компонентами. II 61 Научно-техническая конференция. Сборник трудов. Ч.З. Технические науки. - М.: МГТУ МИРЭА. -2012.-е. 1115.

Учебно-методические работы

17. Салихджанова Р.М.-Ф., Давлетчин Д.И., Аветисов А.Г. Основы производства аппаратуры телекоммуникационных волоконно-оптических линий связи: Учебное пособие / Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники электроники и автоматики» - М., 2012. - 152 с.

Подписано в печать 25.10.2012. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 0,93. Усл. кр,- отт. 3,72. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 383. Бесплатно

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики» 119454, Москва, пр. Вернадского, 78

-2357 4

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С ПРИМЕНЕНИЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА И ТЕХНОЛОГИИ ВНУТРЕННЕГО МОНТАЖА

04201356206

1Т кописи

Аветисов Альберт Георгиевич

Специальность: 05.02.22 - Организация производства (в области радиоэлектроники)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук,

доцент Д.И. Давлетчин

Москва-2012

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

1. ГЖП - гибко-жёсткая печатная плата.

2. ДПП - двусторонняя печатная плата.

3. Ml ill - многослойная печатная плата.

4. ПП - печатная плата.

5. ОПП - односторонняя печатная плата.

6. РЭА - радиоэлектронная аппаратура.

7. РЭС - радиоэлектронное средство.

8. САПР - система автоматизированного проектирования.

9. СВЧ - сверхвысокие частоты.

10. СПФ - сухой плёночный фоторезист.

11. ЭС - экспертная система.

12. ЭБ - элементная база.

13. ЭМС - электромагнитная совместимость.

14. СОВ (chip on board) - кристалл на плате.

15. CSP (chip-scale packages) - корпус, соизмеримый с размером кристалла.

16. HASL (Hot-Air Solder Leveling) - процесс горячего облуживания в расплавленном припое.

17. HDI (high density interconnection) - межсоединения высокой плотности.

18. RoHS (Restriction of Hazardous Substances) - директива, ограничивающая содержание вредных веществ.

19. SMT (surface mounted technology) - технология поверхностного монтажа.

20. BGA (ball grid arrays) - матрица шариковых выводов.

21. ТНТ (through - hole technology) - технология сквозных отверстий.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................5

ГЛАВА 1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ: ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ.....10

1.1 История появления печатных плат. Материалы, конструкции и технологии изготовления печатных плат...............................................................10

1.2 Печатный монтаж: традиционный и поверхностный.............................16

1.3 Тенденция развития печатной технологии..........................................19

1.4 Внутренний монтаж.....................................................................20

1.5 Требования к проектированию печатной платы...................................21

1.6 Автоматизированное проектирование печатных плат............................22

1.7 Выводы и постановка задачи...........................................................26

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВ, ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ И ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ..................................................27

2.1 Анализ материалов печатных плат...................................................27

2.2 Анализ элементной базы................................................................39

2.3 Анализ технологий изготовления печатных плат.................................44

2.4 Выводы по главе..........................................................................52

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ.........53

3.1 Выбор варианта конструкции печатной платы....................................53

3.2 Проектирование печатной платы по разным технологиям монтажа: поверхностный монтаж, СОВ-технология, внутренний монтаж.............................61

3.3 Разработка конструкции и технологии изготовления гибко-жёсткой печатной платы со встроенными элементами..................................................69

3.4 Выводы по главе..........................................................................78

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ...........................................................................79

4.1 Формулировка правил для экспертной системы...................................81

4.2 Структура экспертной системы.......................................................91

4.3 Описание алгоритма экспертной системы..........................................98

4.4 Выводы по главе........................................................................105

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ УНИВЕРСАЛЬНОГО ПОЛЯРОГРАФА ПЛС-2А, ПУ-1 С

ПРИМЕНЕНИЕМ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ......................................107

5.1 Изучение и анализ технического задания на универсальный полярограф

ПЛС-2А, ПУ-1................................................................................107

5.2. Конструкторско-технологические расчёты печатной платы универсального полярографа ПЛС-2А, ПУ-1...............................................................108

5.3 Миниатюризация конструкции печатной платы универсального полярографа ПЛС-2А.........................................................................................112

5.4 Выводы по главе........................................................................116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................117

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...................................119

ПРИЛОЖЕНИЯ:

A. Экспертная система (листинг программы).

Б. Акт о внедрении в химико-аналитической лаборатории МП ЩР «Щёлковский водоканал».

B. Акт о внедрении в химико-аналитической лаборатории ПУ «Зеленоградводоканал» МГУП «Мосводоканал».

Введение

Актуальность исследования. Основным конструктивным элементом современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) является печатная плата (ПП). От того, как качественно будет спроектирована конструкция ГШ, зависит и качество конечного изделия, в состав которого входит 1111, как основной конструктивный элемент. Поэтому необходимо правильно определить материал 1111, количество слоев 1111, технологию изготовления, класс точности, технологию монтажа радиоэлементов на ПП, тип финишного покрытия и припоя.

Следовательно, при проектировании РЭА следует уделять повышенное внимание конструкторско-технологическому проектированию 1111.

В настоящее время для решения задач конструкторско-технологического проектирования 1111 широко используются системы автоматизированного проектирования (САПР) 1111, которые применяются при компоновке радиоэлементов на подложке 1111 и трассировке печатных проводников в соответствии с электрической принципиальной схемой. Применение САПР ПП позволяет эффективно и быстро спроектировать конструкцию 1111.

Кроме того, существует необходимость дальнейшего совершенствования САПР, заключающегося в разработке и применении на производстве автоматизированных программных средств, базирующихся на технологии экспертных систем (ЭС), или инженерии знаний для поддержки принятия решения инженеру-конструктору на этапе конструкторско-технологического проектирования ПП.

Более того, конструкторско-технологическое проектирование 1111 связано с требованиями увеличения плотности монтажа, уменьшения геометрических размеров и веса при одновременном увеличении функциональных возможностей. Это требует разработки принципиально новых подходов при создании радиоэлектронных средств (РЭС). Одним из таких подходов является переход к технологии внутреннего монтажа. Отечественная технология внутреннего монтажа предполагает установку бескорпусных и безвыводных кристаллов внутри

ПП из алюминия, керамики, поликора, ситалла и одновременное формирование соединений печатных проводников с контактными площадками кристалла методом вакуумного напыления металлов через свободные технологические маски. Технология внутреннего монтажа активно развивается и за рубежом (компания Würth Elektronik, Германия), отличающаяся методом формирования углублений для кристаллов и получением токопроводящих дорожек.

Вместе с тем, в настоящее время за рубежом активно применяются технологии встраивания в ГШ и пассивных компонентов. Так в научной работе Fu-jimaki N., Koike К., Takami К., Ogata S., Linaga H. «Development of Printed Circuit Board Technology Embedding Active and Passive Devices for e-Function Module» предлагается встраивать в 1111 дискретные пассивные компоненты типоразмера 0603,1005.

Тем не менее, следует отметить отсутствие конструкторских и технических решений по объединению отечественной технологии внутреннего монтажа с зарубежной технологией встраивания пассивных компонентов. Восполнение данного пробела предоставит возможность получить 1111 с меньшими габаритными размерами, что является актуальным в связи с продолжающейся тенденцией микроминиатюризации РЭА.

Целью диссертационной работы является разработка метода автоматизированного конструкторско-технологического проектирования 1111, конструкции и технологии изготовления 1111 со встроенными активными и пассивными компонентами.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: анализ материалов 1111, технологий монтажа радиоэлементов на ПП, технологий изготовления 1111, автоматизированных программных средств и систем; анализ конструкций (односторонней, двусторонней, многослойной) и типов (жёсткой, гибкой, гибко-жёсткой) 1111 различной сложности; разработка конструкции и технологического процесса изготовления 1111 со встроенными активными и пассивными компонентами; разработка базы данных и базы знаний автоматизированного программного средства; разработка программного обеспечения.

Объектом исследования является проектирование и технология производства ПП РЭС.

Предметом исследования являются материалы, технологии и программные средства, применяемые для проектирования и производства 1111 РЭС.

В основе проводимых в диссертационной работе исследований были использованы следующие методы: сравнительный анализ - при анализе материалов ПП, технологий монтажа радиоэлементов на 1111, технологий изготовления 1111, САПР 1111; методы искусственного интеллекта; концепции логического программирования.

Научная новизна:

1. Предложена конструкция и технология изготовления гибко-жёсткой 1111 (ГЖП) со встроенными активными и пассивными компонентами, отличающаяся:

- объединением двух технологий: отечественной технологии встраивания активных компонентов под принятым названием внутренний монтаж и зарубежной технологии встраивания дискретных пассивных компонентов;

- типом конструкции ПП и последовательностью технологических операций.

2. Разработано автоматизированное программное средство для конст-рукторско-технологического проектирования 1111, учитывающее особенности производства.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Конструкция и технология изготовления ГЖП со встроенными активными и пассивными компонентами, позволяющими уменьшить габаритные размеры и вес, повысить функциональность, плотность монтажа и надёжность РЭА.

2. Разработанная база данных и база знаний, позволяющая реализовать автоматизированное программное средство для выдачи рекомендаций об элементах печатного монтажа на этапе конструкторско-технологического проектирования ПП и подготовки производства.

3. Метод автоматизированного конструкторско-технологического проектирования ПП, позволяющий заранее, до этапа компоновки и трассировки ГШ в САПР, определить основные конструктивные элементы печатного монтажа и позволяющий применить полученные от ЭС рекомендации для автоматической компоновки и трассировки 1111 на этапе установки правил проектирования в САПР.

Практическая значимость и внедрение результатов работы

Полученные результаты исследования имеют практическую значимость и могут быть рекомендованы для применения на предприятиях радиоэлектронной отрасли.

Предложенную конструкцию ГЖП со встроенными активными и пассивными компонентами можно применить в РЭА, в которой требуется уменьшить вес и объём, что имеет огромное значение в связи с тенденций микроминиатюризации.

По результатам исследований: получен диплом лауреата на III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Искусственный интеллект: философия, методология, инновации»; получен диплом на XI Всероссийской выставке «Научно-техническое творчество молодёжи» и научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодёжи -путь к обществу, основанному на знаниях»; получены грамоты на IV, V Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Искусственный интеллект: философия, методология, инновации»; получена грамота на конкурсе МГТУ МИРЭА 2011 «Лучшая научная работа студентов и молодых учёных» за научную работу «Разработка экспертной системы для проектирования печатных плат радиоэлектронных средств».

Результаты исследования подтверждены актами о внедрении: в химико-аналитической лаборатории ПУ «Зеленоградводоканал» МГУП «Мосводока-нал»; в химико-аналитической лаборатории «Щёлковский водоканал» г. Щёлково Московской области.

Апробация работы. Основные результаты исследования доложены на:

III, IV, V Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Искусственный интеллект: философия, методология, инновации» (г. Москва, 2009, 2010, 2011 гг.); VII Международной теплофизической школе «Теп-лофизические исследования и измерения при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг» (г. Тамбов, 2010 г.); I Всероссийской конференции «Радиоэлектронные средства передачи и приёма сигналов и визуализации информации» (г. Таганрог, 2011); III Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях»; 59, 60 и 61-й научно-технической конференции МГТУ МИРЭА (г. Москва, 2010, 2011 и 2012 гг.); IV Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» (г. Новосибирск, 2011 г.); IV Международной научно-практической конференции «Экология - образование, наука, промышленность и здоровье» (г. Белгород, 2011 г.); XVIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2012 г.); 67-й Всероссийской конференции с международным участием «ЯЕ)С-2012» (г. Москва, 2012 г.).

Публикации. По результатам исследований и практических разработок опубликовано 17 научных работ, из них 3 - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации (ВАК РФ), и одно учебное пособие. Общий объём публикаций - 15 п.л.

Личный вклад автора. Результаты, составляющие основное содержание работы, получены автором самостоятельно.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 85 наименования и трёх приложений. Основная часть работы изложена на 127 страницах, содержит 20 таблиц и 20 рисунков.

ГЛАВА 1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ: ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ 1.1 История появления печатных плат. Материалы, конструкции и технологии изготовления печатных плат

Печатная плата - конструкция электрических межсоединений на изоляционном основании. Основными конструктивными элементами ПП являются изоляционное основание и проводники.

Считается, что первенство в разработке ПП принадлежит немецкому инженеру Альберту Паркеру Хансону [1]. Первая заявка в патентное ведомство Германии была подана Хансоном в 1902 г. Его разработка была связана с широко развивающейся в эти годы телефонией и намного опередила своё время. Хансон предложил формировать рисунок ПП на медной фольге вырезанием или штамповкой. Далее элементы проводящего рисунка приклеивались к диэлектрику: пропарафиненной бумаге. Технология предполагала приклеивание проводящих слоев с обеих сторон диэлектрика и использование сквозных соединительных отверстий.

Считается, что в современном виде ПП появилась благодаря использованию технологий, заимствованных из полиграфической промышленности: изготовление фотошаблонов, получение защитных рисунков с использованием фотополимерных композиций (фоторезистов). В связи с этим новый вид продукции получил название printed circuits или printed boards (печатные схемы, печатные платы).

Пауль Эйслер, австрийский инженер, впервые предложил полиграфический метод изготовления ПП. Данный метод получил название субтрактивный метод изготовления ПП. В российских стандартах этот метод получил название химический метод изготовления ПП.

В субтрактивных технологиях изображение формируется путём удаления ненужных фрагментов. Пауль Эйслер отработал технологию гальванического осаждения медной фольги и её травления хлорным железом.

С середины 1950-х годов началось становление ГШ, как основы всех бытовых электрических приборов. Это связано со значительно возросшим производством радиоаппаратуры и ее совершенствованием в результате применения полупроводниковых приборов вместо электронных ламп. Кроме того, применение 1111 обеспечило возможность автоматизации установки на неё радиоэлементов и осуществить их групповую пайку.

В качестве основного материала (в период 1953-1956 гг.) для изготовления 1111 применялся нефольгированный гетинакс, представляющий собой бумагу, пропитанную фенолформальдегидной смолой. Гетинакс - недорогой материал, что обеспечило его широкое применение в бытовой технике. Технология изготовления 1111 предполагала приклеивание медной фольги к гетинаксу с последующим вытравливанием медной фольги в растворе хлорного железа. В дальнейшем (1956 г.) был освоен выпуск фольгированного гетинакса, что позволило применить метод сеткографии для получения защитных рисунков. Тем не менее, климатические испытания показали, что применение гетинакса в ответственной аппаратуре непригодно из-з