Проектирование мобильного включателя

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовому проекту Проектирование мобильного включателя

В данном курсовом проекте разрабатывается мобильный включатель, который предназначен для дистанционного заблаговременного включения подогрева моторного отсека автомобиля, при хранении автомобиля в неотапливаемом гараже.

Проектирование устройства базируется на анализе электрической принципиальной схемы, технических условий предъявляемых в задании на проектирование.

Разработка конструкции сопровождается выбором элементной базы, компоновкой, разработкой сборочных и чертежей печатной платы, выбором материалов, покрытий, расчетами, проводимыми при конструировании. Разработка печатной платы ведется в САПР P-CAD, а также AutoCAD.

Основные задачи курсового проекта — это приобретение навыков проектирования электронных устройств, изучение стандартов при конструировании, освоение современных систем автоматизированного проектирования.

1. Анализ исходных данных и основных технических требований к разрабатываемой конструкции

выключатель тепловой электронный охлаждение

Разработку конструкции мобильного включателя будем производить на основе выбранной схемы (журнал радиоконструктор 2 выпуск, 2010 года). На схеме (рисунок 2.1) присутствуют только низковольтные части (12В), что следует учесть при проектировании печатной платы и подборе элементной базы, также необходимо предусмотреть крепление печатной платы в корпусе. Так как проектируемая плата имеет небольшие размеры, крупногабаритные элементы реле K1 и акустический сенсор F1 на нее не устанавливаются, необходимо предусмотреть место для припайки проводов или разъемы.

Разработку устройства будем вести с учетом региона использования, по ГОСТ 15 150–69 выбираем климатическое исполнение изделия УХЛ: для макроклиматических районов с умеренным и холодным климатом, выберем условия эксплуатации устройства УХЛ2.1 (ГОСТ 15 150−69) Для эксплуатации в закрытых помещениях (объемах) с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий. Устройство должно быть устойчиво к воздействию:

— температуры окружающего воздуха от -60 до 40С;

— относительной влажности воздуха от 70 до 98%;

— атмосферного давления от 84 до 106,7 кПа.

2. Описание проектируемого устройства

Предлагаемый мобильный включатель разработан для работы совместно со старым мобильным телефоном, который настроен на прием сообщений со звуком с определенного номера. На рисунке 2.1 представлена электронная принципиальная схема устройства.

Рис. 2.1 Электрическая схема проектируемого устройства

Телефон нужно настроить так, чтобы вызов с вашего номера он принимал со звуком и вибратором, а все любые другие вызовы и CMC в беззвучном режиме и без вибратора (только свет). Переделка старого мобильного телефона сводится к выводу проводов от кнопки ответа.

При приеме сообщения мобильным телефоном, тот звучит и вибрирует, активируя акустический сенсор, закрепленный на нем, включается триггер D1.1-D1.2, который посредством реле К1 включает ТЭН

Так как схема триггера питается от электросети (через универсальный адаптор), то, если в сети есть напряжение и поэтому ТЭН может работать, схема одновибратора через несколько секунд подает импульс. И второе реле «нажимает» кнопку приема вызова. Таким образом, если вы позвонили себе в гараж и там «трубку не взяли», это значит что в гараже нет электричества и ТЭН включить невозможно. Если в гараже «трубку взяли», — электричество в гараже есть и ТЭН включился.

Элемент F1 на схеме — это акустический сенсор, который представляет собой пассивный пьезоэлектрический звукоизлучатель. Как известно, такие звукоизлучатели могут работать и на прием. Сенсор прикреплен к корпусу сотового телефона, поэтому, когда телефон звонит и вибрирует, F1 вырабатывает некоторое напряжение ЗЧ, которое усиливается каскадом на VT1. Режим данного каскада по постоянному току установлен так, чтобы в отсутствие входного сигнала напряжение на коллекторе VT1 расценивалось логическим элементом D1.2 как логический ноль (это устанавливается экспериментально, подбором сопротивления R1).

В исходном состоянии, то есть после включения питания, триггер D1.1-D1.2 установлен в нулевое состояние цепью C1-R3. При поступлении сигнала на коллекторе VT1 возникает переменное напряжение, которое в совокупности с постоянным, на положительных пиках достигает уровня порога логической единицы для D1.2. Первое же превышение данного порога переключает триггер в единичное состояние. На выходе D1.1 возникает единица. Ключ VT2-VT3 открывается и при помощи реле К1 включает ТЭН (контакты репе и ТЭН на схеме не показаны). При этом же начинается зарядка С5 через R3 и через несколько секунд напряжение на нем достигает логической единицы для D1.3. Цепь С6 — R7 формирует импульс. На выходе D1.4 возникает единица. Реле К2 своими контактами (на схеме не показаны) замыкает кнопку приема вызова мобильного телефона. Таким образом, получается ответ на звонок. Если в гараже электричества нет, то схема, показанная на рисунке без питания. Поэтому, ответа на звонок не будет.

Тип реле зависит от напряжения питания, нагрузки. Чтобы управлять ТЭНом до 3 кВт в качестве реле К1 очень подходит автомобильное реле звукового сигнала от переднеприводных ВАЗов. Реле К2 должно только замыкать кнопку приема вызова (поднятия трубки) сотового телефона, так что здесь подходит любое маломощное реле на 12V, например. РЭС-55 или BT-12S, РЭС-47.

3. Выбор и обоснование элементной базы, и материалов конструкции

3.1 Выбор и обоснование элементной базы

Основными параметрами при выборе ЭРЭ являются стоимость, технические параметры (номинальное значение параметров ЭРЭ согласно перечня элементов, допустимые отклонения величин от их номинального значения, допустимое рассеивание мощности, диапазон рабочих температур), дополнительными критериями при выборе ЭРЭ являются унификация, а также масса и габариты ЭРЭ.

Более подробно информацию о компонентах приведем в перечне элементов к электрической схеме, а также в таблице 3.1.

Таблица 3.1 Справочная информация по ЭРЭ

3.2 Выбор материала печатной платы

В качестве материалов оснований ПП можно использовать:

? фольгированные и нефольгированные диэлектрики (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, стеклоткань, лавсан, полиимид, фторопласт и др.);

? керамику;

? металлические пластины.

При выборе материала основания ПП обращают внимание на следующие обстоятельства:

? предполагаемые МВ (вибрации, удары и т. д.);

? класс точности ПП (расстояние между проводниками);

? условия эксплуатации;

? стоимость и др.

Выбор материала основания ПП рекомендуется осуществлять в соответствии с ОСТ 4.010.022−85.

Таблица 3.2 Материалы печатных плат для ОПП И ДПП

Диэлектрическое основание платы представляет собой обычно бумажную (гетинаксы) или текстильную (текстолиты) основу, пропитанную фенольной либо эпоксидной смолой.

Преимущество гетинаксов в том, что они легко поддаются механической обработке, что важно при серийном и массовом производстве РЭС. Их недостаток — повышенная чувствительность к влажности и нестабильность размеров (прогибы и др.).

В стеклотекстолитах в качестве основы используют стеклоткань, пропитанную эпоксидной смолой. Этот материал более качественный, чем гетинакс, но более дорогой и труднообрабатываемый (быстро затупляет острые кромки инструментов — сверла и т. д.).

Фольгированные диэлектрики — электроизоляционные основания, плакированные (покрытые) обычно медной фольгой с оксидированным гальваностойким слоем, прилегающим к электроизоляционному основанию. Они могут быть односторонними и двусторонними.

Нефольгированные диэлектрики, предназначенные для аддитивного метода производства плат, имеют на поверхности специально нанесенный адгезивный слой, который служит для лучшего сцепления химически осаждаемой меди с диэлектриком.

По сравнению с гетинаксами стеклотекстолиты имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, меньшее влагопоглощение. Недостатки стеклотекстолитов — худшая механическая обрабатываемость, более высокая стоимость, существенное различие (приблизительно в 10 раз) коэффициента теплового расширения меди и стеклотекстолита в направлении толщины материала, что может привести к разрыву металлизации в отверстиях при пайке или в процессе эксплуатации.

В качестве материалов основания для МПП также используют различные диэлектрические материалы — стеклотекстолит, полиимид, стеклоткань прокладочную и др.

Для изготовления ГПП и ГПК используют фольгированный лавсан, фторопласт, полиимид и др. ДПП на металлическом основании с нанесенным на него электроизоляционным покрытием применяются, когда нужно обеспечить отвод тепла при размещении на плате тепловыделяющих ЭРЭ, полупроводниковых приборов и ИМС большой мощности. Их другое достоинство — большая механическая прочность.

Для нашей печатной платы выбираем стеклотекстолит СФ-1−35 1,5 мм.

4. Выбор типа конструкции печатной платы, класса точности и шага координатной сетки

Государственным стандартом предусмотрены следующие типы ПП:

— односторонняя печатная плата (ОПП) — ПП, на одной стороне которой выполнен проводящий рисунок (рис. 4.1, а);

— двусторонняя печатная плата (ДПП) — ПП, на обеих сторонах которой выполнены проводящие рисунки и все требуемые соединения (рис. 4.1, б);

— многослойная печатная плата (МПП) — ПП, состоящая из чередующихся слоев изоляционного материала с проводящими рисунками на двух или более слоях, между которыми выполнены требуемые соединения;

— гибкая печатная плата (ГПП) — ПП, имеющая гибкое основание;

— гибкий печатный кабель (ГПК) — система параллельных печатных проводников, размещенных на гибком основании.

б

Рис. 4.1 Основные типы печатных плат: а — односторонняя ПП; б — двусторонняя ПП

На рисунке приведены следующие обозначения:

t — ширина печатного проводника;

s — расстояние между печатными проводниками;

Q — расстояние от края ПП (выреза, паза) до элементов проводящего рисунка;

b — расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (поясок);

D — диаметр контактной площадки;

d — диаметр отверстия;

— толщина фольги;

— толщина материала основания печатной платы;

— толщина ПП;

l — расстояние между центрами (осями) отверстий.

Класс точности выбирается в соответствии с рекомендациями ОСТ4.010.022−85. ГОСТ 23 751–86 устанавливает пять классов точности ПП, каждый из которых характеризуется наименьшими номинальными значениями основных параметров для узкого места — это участок ПП, на который элементы печатного проводящего рисунка и расстояние между ними могут быть выполнены только с минимальными допустимыми значениями.

Ширину печатных проводников рассчитывают и выбирают в зависимости от допустимой токовой нагрузки, свойств токопроводящего материала, температуры окружающей среды при эксплуатации. Края проводников должны быть ровными, проводники — без вздутий, отслоений, разрывов, пор, крупнозернистости и трещин, так как эти дефекты влияют на сопротивление и др.

Расстояние между элементами проводящего ресурса (например между проводниками) зависит от допустимого рабочего напряжения, свойств диэлектрика, условий эксплуатации и связана с помехоустойчивостью, искажением сигналов и короткими замыканиями.

Таблица 4.1. Наименьшее номинальное значение основных параметров для классов точности ПП

Координатная сетка чертежа ПП необходима для координации элементов печатного рисунка. В узлах пересечений сетки располагаются монтажные и переходные отверстия. Основным шагом координатной сетки принят размер 2,5 мм в обоих направлениях. Если этот шаг не удовлетворяет требованиям конкретной конструкции, можно применять шаг, равный 1,25 мм (0,625 мм). В нашем курсовом проекте мы разрабатываем двухстороннюю печатную плату, третьего класса точности, с шагом координатной сетки 1,25 мм.

5. Выбор и обоснование метода изготовления электронного модуля

Методы изготовления ПП (рисунок. 5.1) разделяют на две группы: субтрактивные и аддитивные.

Рис. 5.1

В субтрактивных методах (subtratio-отнимание) в качестве основания для печатного монтажа используют фольгированные диэлектрики, на которых формируется проводящий рисунок путем удаления фольги с непроводящих участков. Дополнительная химико-гальваническая металлизация монтажных отверстий привела к созданию комбинированных методов изготовления ПП.

Аддитивные (additio — прибавление) методы основаны на избирательном осаждении токопроводящего покрытия на диэлектрическое основание, на которое предварительно может наноситься слой клеевой композиции. По сравнению с субтрактивными они обладают следующими преимуществами:

1) однородностью структуры, так как проводники и металлизация отверстий получаются в едином химико-гальваническом процессе;

2) устраняют подтравливание элементов печатного монтажа;

3) улучшают равномерность толщины металлизированного слоя в отверстиях;

4) повышают плотность печатного монтажа;

5) упрощают ТП из-за устранения ряда операций (нанесения защитного покрытия, травления);

6) экономят медь, химикаты для травления и затраты на нейтрализацию сточных вод;

7) уменьшают длительность производственного цикла.

Несмотря на описанные преимущества, применение аддитивного метода в массовом производстве ПП ограничено низкой производительностью процесса химической металлизации, интенсивным воздействием электролитов на диэлектрик, трудностью получения металлических покрытий с хорошей адгезией. Доминирующей в этих условиях является субтрактивная технология, особенно с переходом на фольгированные диэлектрики с тонкомерной фольгой (5 и 18 мкм).

Рис. 5.2.

Субтрактивные методы. По субтрактивной технологии рисунок проводников получается травлением медной фольги по защитному изображению в фоторезисте или металлорезисте. Применяются три разновидности субтрактивной технологии.

Первый вариант (рис. 5.2) — негативный процесс с использованием сухого пленочного фоторезиста (СПФ). Процесс достаточно простой, применяется при изготовлении односторонних и двухсторонних ПП. Металлизация внутренних стенок отверстий не выполняется. Заготовка — фольгированный диэлектрик. Методами фотолитографии с помощью сухого пленочного фоторезиста на поверхности фольги формируется защитная маска, представляющая собой изображение (рисунок) проводников. Затем открытые участки медной фольги подвергаются травлению, после чего фоторезист удаляется.

Рис. 5.3

Второй вариант (рис. 5.3) — позитивный процесс. Создается проводящий рисунок двухсторонних слоев с межслойными металлизированными переходами (отверстиями). Сухой пленочный фоторезист (СПФ) наслаивается на заготовки фольгированного диэлектрика, прошедшие операции сверления отверстий и предварительной (5−7 мкм) металлизации медью стенок отверстий и всей поверхности фольги. В процессе фотолитографии СПФ защитный рельеф получают на местах поверхности металлизированной фольги, подлежащей последующему удалению травлением. На участки, не защищенные СПФ, последовательно осаждаются медь и металлорезист (сплав SnPb), в том числе и на поверхность стенок отверстий. После удаления маски СПФ незащищенные (более тонкие) слои меди вытравливаются. Процесс более сложный, однако, с его помощью удается получить металлизированные стенки отверстий.

Третий вариант (рис. 54) — так называемый тентинг-процесс. Как и в позитивном процессе, берется заготовка в виде фольгированного диэлектрика, формируются отверстия, проводится предварительная металлизация всей платы, включая внутренние стенки отверстий. Затем наносится СФП, который формирует маску во время фотолитографии в виде рисунка печатных проводников и образует завески — тенты над металлизированными отверстиями, защищая их во время последующей операции травления свободных участков медной фольги. В этом процессе используются свойства пленочного фоторезиста наслаиваться на сверленые подложки без попадания в отверстия и образовывать защитные слои над металлизированными отверстиями. Применение тентинг-метода упрощает технологический процесс изготовления двусторонних ПП с металлизированными отверстиями. Однако необходимо обеспечить гарантированное запечатывание отверстий фоторезистом. Кроме того, качество поверхности металла вокруг отверстий должно быть очень хорошим, без заусениц.

Рис. 5.4

Для получения изображений используется пленочный фоторезист толщиной 15−50 мкм. Толщина фоторезиста в случае метода «тентинг» диктуется требованиями целостности защитных завесок над отверстиями на операциях проявления и травления, проводимых разбрызгиванием проявляющих и травящих растворов под давлением 1,6−2 атм. и более. Фоторезисты толщиной менее 45−50 мкм на этих операциях над отверстиями разрушаются.

Подготовка поверхностей заготовок под наслаивание пленочного фоторезиста с целью удаления заусенцев сверленых отверстий и наростов гальванической меди производится механической зачисткой абразивными кругами с последующей химической обработкой в растворе персульфата аммония или механической зачисткой водной пемзовой суспензией. Такие варианты подготовки обеспечивают необходимую адгезию пленочного фоторезиста к медной поверхности подложки и химическую стойкость защитных изображений на операциях проявления и травления. Кроме того, механическая зачистка пемзой дает матовую однородную поверхность с низким отражением света, обеспечивающая более однородное экспонирование фоторезиста.

Фоторезист наслаивается по специально подобранному режиму: при низкой скорости наслаивания 0,5 м/мин, при температуре нагрева валков 115 °C ± 5 °C, на подогретые до температуры 60 ч 80 °C заготовки. При экспонировании изображения используются установки с точечным источником света, обеспечивающим высококоллимированный интенсивный световой поток на рабочую поверхность с автоматическим дозированием и контролем световой энергии.

Субтрактивный метод получения рисунка проводников ПП основан на травлении медной фольги по защитной маске. Из-за процессов бокового подтравливания меди под краями маски поперечное сечение проводников имеет форму трапеции, расположенной большим основанием на поверхности диэлектрика. Величина бокового подтравливания и, соответственно, разброс ширины создаваемых проводящих дорожек зависит от толщины слоя металла: при травлении фольги толщиной 5 мкм интервал разброса ширины проводников порядка 7 мкм, при травлении фольги толщиной 20 мкм разброс составляет 30 мкм, а при травлении фольги толщиной 35 мкм разброс составляет около 50 мкм. Искажения ширины медных проводников по отношению к размерам ширины их изображений в фоторезисте и на фотошаблоне смещаются в сторону заужения. Следовательно, при субтрактивной технологии размеры проводников на фотошаблоне необходимо увеличивать на величину заужения. Из этого следует, что субтрактивная технология имеет ограничения по разрешению, которые определяются толщиной фольги и процессами травления. Минимально воспроизводимая ширина проводников и зазоров составляет порядка:

50 мкм при толщине фольги 5−9 мкм;

100 — 125 мкм при толщине проводников 20 — 35 мкм;

150 — 200 мкм при толщине проводников 50 мкм.

Аддитивные методы. Для изготовления печатных плат с шириной проводников и зазоров 50 -100 мкм с толщиной проводников 30−50 мкм рекомендуется использовать аддитивный метод формирования рисунка (метод ПАФОС). Это полностью аддитивный электрохимический метод, по которому проводники и изоляция между ними (диэлектрик) формируются селективным гальваническим осаждением проводников и формированием изоляции только в необходимых местах прессованием. Метод ПАФОС, как аддитивный метод, принципиально отличается от субтрактивного тем, что металл проводников наносится, а не вытравливается. Проводящий рисунок формируется (рис. 6.5) последовательным наращиванием слоев: 1 — получение на временных «носителях» — листах из нержавеющей стали — медной шины толщиной 2ч20 мкм; 2 — формирование рисунка в СПФ; 3 — гальваническое осаждение тонкого слоя никеля (2ч3 мкм) и меди (30 ч 50 мкм) по рисунку освобождений в рельефе пленочного фоторезиста. В защитном рельефе пленочного фоторезиста на верхнюю поверхность сформированных проводников производится также нанесение адгезионных слоев. После этого пленочный фоторезист удаляется, и проводящий рисунок на всю толщину впрессовывается в препрег или другой диэлектрик. Полученный прессованный слой вместе с медной шиной механически отделяется от поверхности носителей. Если не нужны межслойные переходы, то медная шина стравливается.

По способу создания токопроводящего покрытия аддитивные методы разделяются на химические и химико-гальванические. При химическом процессе на каталитически активных участках поверхности происходит химическое восстановление ионов металла. В разработанных растворах скорость осаждения меди составляет 2−4 мкм/ч и для получения необходимой толщины процесс продолжается длительное время.

Для изготовления печатных плат с шириной проводников и зазоров 50 -100 мкм с толщиной проводников 30−50 мкм рекомендуется использовать аддитивный электрохимический метод формирования рисунка, по которому проводники и изоляция между ними (диэлектрик) формируются селективным гальваническим осаждением проводников и формированием изоляции только в необходимых местах прессованием. Метод, как аддитивный, принципиально отличается от субтрактивного тем, что металл проводников наносится, а не вытравливается.

Проводящий рисунок формируется (рис. 5.5) последовательным наращиванием слоев: 1 — получение на временных «носителях» — листах из нержавеющей стали — медной шины толщиной 2ч20 мкм; 2 — формирование рисунка в СПФ; 3 — гальваническое осаждение тонкого слоя никеля (2ч3 мкм) и меди (30 ч 50 мкм) по рисунку освобождений в рельефе пленочного фоторезиста. В защитном рельефе пленочного фоторезиста на верхнюю поверхность сформированных проводников производится также нанесение адгезионных слоев (5). После этого пленочный фоторезист удаляется (6). При изготовлении ДПП подготовленные пластины разделяются пластиной препрега или другого диэлектрики (7) и спрессовываются (8), после чего механически удаляются носители (9). Если не нужны межслойные переходы, то медные шины стравливается и плата готова (10).

Рис. 5.5

При изготовлении двухсторонних слоев с межслойными переходами перед травлением тонкой медной шины сверлятся и металлизируются отверстия. Проводящий рисунок, утопленный в диэлектрик и сверху защищенный слоем никеля, при травлении медной шины не подвергается воздействию травильного раствора. Поэтому форма, размеры и точность проводящего рисунка определяются формой и размерами освобождений в рельефе пленочного фоторезиста, т. е. процессами фотохимии (фотолитографии). Отсюда к процессам фотолитографии предъявляются более жесткие требования, в частности, оптической плотности белых и черных полей фотошаблонов, резкости края изображения, стабильности температуры и влажности в рабочих помещениях. Профиль фоторельефа пленочного фоторезиста зависит от применяемой модели светокопировальной установки. При экспонировании на установках с совершенной экспонирующей системой, обеспечивающей высокую коллимацию высокоинтенсивных световых лучей и отсутствие нагрева рабочей копировальной поверхности, фоторельеф имеет ровные боковые стенки с малым наклоном к поверхности подложки.

При обеспечении требуемых параметров технологического процесса аддитивная технология позволяет получать рисунок проводников на плате с большей точностью и воспроизводимостью:

ширина проводников, сформированных в рельефе пленочного фоторезиста, практически по всей высоте проводника равна ширине изображения на фотошаблоне, интервал разброса не превышает 5−10 мкм;

искажения ширины проводников на поверхности подложки относительно размеров на фотошаблоне в среднем составляют от 10 мкм до 20 мкм;

суммарный интервал разброса ширины проводников по всей высоте фоторельефа не превышает 15−20 мкм.

Таким образом, в отличие от субтрактивной технологии аддитивные процессы принципиально позволяют получать ПП по самым высоким классам точности.

Методы нанесения рисунка ПП. Основными методами, применяемыми в промышленности для создания рисунка печатного монтажа, являются офсетная печать, сеткография и фотопечать. Выбор метода определяется конструкцией ПП, требуемой точностью и плотностью монтажа, производительностью оборудования и экономичностью процесса.

Метод офсетной печати состоит в изготовлении печатной формы, на поверхности которой формируется рисунок слоя. Форма закатывается валиком трафаретной краской, а затем офсетный цилиндр переносит краску с формы на подготовленную поверхность основания ПП. Метод применим в условиях массового и крупносерийного производства с минимальной шириной проводников и зазоров между ними 0,3−0,5 мм (платы 1 и 2 классов плотности монтажа) и с точностью воспроизведения изображения ±0,2 мм. Его недостатками являются высокая стоимость оборудования, необходимость использования квалифицированного обслуживающего персонала и трудность изменения рисунка платы.

Сеткографический метод основан на нанесении специальной краски на плату путем продавливания ее резиновой лопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет, на котором необходимый рисунок образован ячейками сетки, открытыми для продавливания. Метод обеспечивает высокую производительность и экономичен в условиях массового производства. Точность и плотность монтажа аналогичны предыдущему методу.

Самой высокой точностью (±0,05 мм) и плотностью монтажа, соответствующими 3−5 классу (ширина проводников и зазоров между ними 0,1−0,25 мм), характеризуется метод фотопечати. Он состоит в контактном копировании рисунка печатного монтажа с фотошаблона на основание, покрытое светочувствительным слоем (фоторезистом).

Однослойные ПП и ГПК изготавливают преимущественно субтрактивным сеточно-химическим или аддитивным методом, а ДПП и ГПП химико-гальваническим аддитивным или комбинированными фотохимическими (негативным или позитивным) методами. Производство МПП основано на типовых операциях получения ОПП и ДПП и некоторых специфических процессах, таких как прессование слоев, создание межслойных соединений и др. Выбор метода изготовления МПП определяется следующими факторами: числом слоев, надежностью соединений, плотностью монтажа, видом выводов устанавливаемых ЭРЭ и ИС, возможностью механизации и автоматизации, длительностью производственного цикла, экономичностью. Методы, основанные на использовании объемных деталей для межслойных соединений, характеризуются повышенной трудоемкостью, низкой надежностью, плохо поддаются автоматизации. Наиболее распространен из второй группы метод металлизации сквозных отверстий.

Пленочные технологии изготовления ПП. Повышение требований к качеству ПП и стабильности их параметров привело к созданию ПП и МПП на керамических и полиимидных основаниях. Для изготовления таких плат применяются многочисленные методы, основанные на тонкои толстопленочной технологии. При использовании тонкопленочной технологии диэлектрические и токопроводящие слои наносят с помощью одного из методов вакуумного испарения, которые характеризуются разнообразием применяемых материалов и возможностью создания многослойных структур в одном технологическом цикле. Недостатками метода являются низкая производительность, сложность технологического оборудования, необходимость вакуума.

При использовании толстопленочной технологии с помощью трафаретной печати создают изоляционные и проводящие слои, которые затем вжигают в основание. Так как керамика в неотожженном состоянии допускает механическую обработку для получения монтажных отверстий, то появляется возможность методом послойного наращивания формировать многослойные структуры с межслойными проводящими переходами. Метод обеспечивает высокую надежность изделий и производительность процесса без применения дорогостоящего оборудования. Однако при изготовлении многослойных проводящих структур требуются материалы со ступенчатыми температурами вжигания. Применение сырых керамических пленок позволяет параллельно изготавливать слои МПП. Собранные по базовым отверстиям пакеты заготовок спрессовываются при температуре 75−100°С, а затем спекаются при 1500−1800°С. Скорость повышения температуры должна быть оптимальной и не приводить к растрескиванию подложки. Существенное уменьшение линейных размеров (на 17−20%) требует точного расчета при первоначальном нанесении рисунка на сырые листы.

Технологический процесс изготовления МПП на полиимидных пленках начинается с изготовления ДПП. С помощью двустороннего фототравления за один цикл формируются монтажные отверстия диаметром 50−70 мкм на пленке толщиной 50 мкм. При травлении образуется конусообразная форма отверстий, удобная для последующей вакуумной металлизации толщиной 1−2 мкм. После избирательного усиления металлизации слоем гальванической меди и технологическим покрытием (Sn-Ni, Sn-Bi, Sn-Pb) платы поступают на сборку. Многослойные ПП получают приклеиванием двухслойных плат через фигурные изоляционные прокладки из полиимида к жесткому основанию, на котором предварительно сформированы контактные площадки. В качестве основания используются металлические пластины с изолирующим слоем (анодированный алюминий, эмалированная сталь и др.). Электрическое соединение отдельных слоев проводится пайкой в вакууме. Таким образом, можно формировать платы с 15−20 слоями.

Для изготовления нашей печатной платы выбираем комбинированный позитивный метод.

6. Расчет конструктивно-технологических параметров

Требования к размерам ПП регламентированы отечественными и зарубежными стандартами, наиболее распространенные из которых фактически стали международными. Отечественный стандарт ГОСТ 10 317–79 устанавливает следующие требования к размерам ПП:

1) предельный размер стороны не более 470 мм;

2) размеры сторон должны быть кратны:

* 2,5 мм при длине стороны не более 100 мм;

* 5,0 мм при длине стороны не более 350 мм;

* 10,0 мм при длине стороны более 350 мм;

3) соотношение сторон не более 3:1;

Компоновочный расчет печатной платы

Компоновочный расчет необходим для минимизации связей (длин дорожек) компонентов друг с другом. Элементы имеющие наибольшее число выводов и связей с другими компонентами и будут расположен в центральной области печатной платы. Остальные элементы расположим используя метод графической компоновки с помощью САПР P-CAD.

Исходя из рекомендаций ГОСТ 10 317–79 выбираем линейные размеры платы, которые составили 75×57,5 мм.

Выбираем значение коэффициента заполнения печатной платы. Согласно приведённым рекомендациям коэффициент лежит в пределах 0,2…1. Конкретные значения принимают с учётом частотного диапазона работы РЭУ, мощности тепловых потерь, выделяемой элементами, требований к габаритам и других факторов. Примем K_s=0,6. Предполагаемая площадь печатной платы будет равна:

S = = 4312/0,6? 7187 мм²

Принимая во внимание внутриблочную компоновку, выбираем геометрическую форму (квадрат, прямоугольник или другая форма) и размеры сторон печатной платы, обеспечивающие близкую к найденной площадь (~33 см²). Следует иметь ввиду, что выбираемые размеры должны отвечать требованиям ГОСТ 10 317, регламентирующего размеры печатных плат. Таким образом, при форме в виде прямоугольника, принимаем размеры 125×95 мм.

Для определения параметров проводящего рисунка печатной платы необходимо выбрать класс точности по ГОСТ 23 751–86. Исходя из применяемой элементной базы, наличия микросхем, а также средней насыщенности поверхности печатной платы навесными ИЭТ для платы выбираем 3-ий класс точности.

Особые требования при разработке печатных плат предъявляются к контактным площадкам и ширине проводников. Исходными данными для расчета являются: толщина фольги 35 мкм, максимальный ток через проводник 0,4А, максимальная длина проводника 0,1 м, допустимое падение напряжения на проводнике 0,2 В, максимальный диаметр выводов микросхем 0,5 мм, размеры платы 75×57,5 мм, расстояние между выводами микросхемы 2,5 мм.

1 Определяем минимальную ширину печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

где I_max — максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках; j_ДОП — допустимая плотность тока, выбирается в зависимости от метода изготовления. В нашем случае j_ДОП = 48 А/мм²;

t — толщина проводника, мм.

Подставляя значения, получим:

2 Определяем минимальную ширину проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

где — удельное объемное сопротивление (= 0,0175 Ом· мм²/м);

U_ДОП — допустимое падение напряжения.

Подставляя значения, получим:

Так как у нас 3 класс точности то b_min составит 0,25 мм.

3 Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий d:

где d_Э — максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ;

d_Н.О — нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия. d_Н.О = 0,1;

r — разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, ее выбирают в пределах 0,1…0,4 мм.

4 Рассчитываем диаметр контактных площадок. Минимальный диаметр контактных площадок для ДПП, изготовляемых комбинированным позитивным методом:

при фотохимическом способе получения рисунка

где h_f — толщина фольги;

D'_min — минимальный эффективный диаметр площадки:

где b_m — расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки;

d и p — допуски на расположение отверстий и контактных площадок. d_max — максимальный диаметр просверленного отверстия, мм:

где d — допуск на отверстие.

В нашем случае b_m = 0,035 мм, p = 0,25 мм, d = 0,1 мм, d = 0,05 мм.

Подставляя значение d, получим:

Подставляя значения b_m, p, d, d_max, получим:

Подставляя полученное значение D'_min, получим:

Максимальный диаметр контактной площадки:

Таблица 6.1 — Величины диаметров монтажных отверстий и контактных площадок

5 Определяем ширину проводников. Минимальная ширина проводников для ДПП, изготовляемых комбинированным позитивным методом:

при фотохимическом получении рисунка где b'_min — минимальная эффективная ширина проводника, b'_min = 0,18 мм для плат 1-, 2-, 3-го класса точности. Подставляя значение b'_min, получаем Максимальная ширина проводников

6 Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка.

Минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой

где L₀ — расстояние между центрами рассматриваемых элементов; l — допуск на расположение проводников. В нашем случае l = 0,05 мм.

Подставляя значения, получим:

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками Минимальное расстояние между двумя проводниками Таким образом, параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъявляемым к платам 3-го класса точности.

7. Оценка теплового режима и способа охлаждения

Электрические компоненты используемые на плате являются маломощными. Вероятно, схема не нуждается в принудительных способах охлаждения, подтвердим это расчетами.

Расчёт теплового режима необходим, чтобы подтвердить или опровергнуть выбранный способ теплозащиты. Анализ тепловых полей РЭС путем математического описания — задача очень сложная. Практикой выработаны другие методы, когда анализ и решения задачи выполняются приближенно с большим количеством ограничений, условностей, допущений по отношению к реальному объекту. Это достигается путем замены реального блока его тепловой моделью, которая реализуется математически и адекватна изучаемому объекту. Таким образом, расчет теплового режима РЭС заключается в определении по исходным данным температуры нагретой зоны и сравнения полученных значений с допустимыми в заданных условиях эксплуатации.

Исходными данными для проведения теплового расчета служат: габаритные размеры разрабатываемого прибора, давление окружающей среды, давление внутри корпуса, температура окружающей среды, коэффициент заполнения и мощность, рассеиваемая в блоке. Так как на более ранних стадиях проектирования методом обеспечения нормального теплового режима прибора было выбрано естественное воздушное охлаждение, то давление внутри корпуса и давление окружающей среды равны между собой. Исходные данные представлены в таблице 7.1.

Рассчитаем коэффициент заполнения устройства по объему K_v:

где — суммарный объем всех ЭРИ, установленных на плате, м³;

— объем проектируемого устройства, м³ (габаритные размеры корпуса устройства будем считать как параллелепипед размерами 0,750,5750,15 м³);

Как видно из расчетов коэффициент заполнения устройства по объему устройства попадает в необходимые пределы.

Таблица 7.1 — Исходные данные для расчета теплового режима

Расчет теплового режима блоков РЭС в герметичном корпусе проводят в следующей последовательности:

Площадь поверхности корпуса блока, м², вычисляем по формуле Площадь условной поверхности нагретой зоны, м², вычисляем по формуле Удельную мощность корпуса блока, Втм², вычисляем по формуле Удельную мощность нагретой зоны блока, Втм², вычисляем по формуле Коэффициент и₁ в зависимости от удельной мощности корпуса вычисляем по формуле Коэффициент и₂ в зависимости от удельной мощности зоны вычисляем по формуле Коэффициент k₁ в зависимости от давления вне корпуса (Н, Па) вычисляем по формуле Коэффициент k₂ в зависимости от давления в корпусе (Н, Па) вычисляем по формуле Суммарную площадь перфорированных отверстий, м², вычисляем по формуле где S_i — площадь одного перфорированного отверстия, м²;

где n — количество перфорированных отверстий.

Коэффициент перфорации вычисляем по формуле Функцию коэффициента перфорации вычисляем по формуле Перегрев корпуса, єС, вычисляем по формуле Перегрев нагретой зоны, єС, вычисляем по формуле

.

Средний перегрев воздуха в корпусе, єС, вычисляем по формуле

.

Температуру корпуса, єС, вычисляем по формуле

.

Температуру нагретой зоны, єС, вычисляем по формуле

.

Температуру воздуха в блоке, єС, вычисляем по формуле

.

Результаты расчета теплового режима сведем в таблицу 7.2.

Таблица 7.2 — Результаты расчета теплового режима

Из анализа полученных результатов заключаем, что при заданных условиях эксплуатации разрабатываемого прибора обеспечивается нормальный тепловой режим применяемых в нем радиоэлементов в процессе эксплуатации, т. е. рабочие температуры не превышают предельно допустимых величин.

Таким образом, выбранная конструкция корпуса и естественного способа охлаждения не нуждается в изменении и применении в ней других способов охлаждения. Такой способ охлаждения является наиболее легко реализуемым и требует минимальных затрат с экономической точки зрения по сравнению с другими способами охлаждения РЭС.

8. Расчет механической прочности и системы виброударной защиты

При закреплении плат по углам в четырёх точках собственную частоту платы определяют по формуле:

где a — длина платы, м;

где b — ширина платы, м;

где D — цилиндрическая жесткость платы, Н/м;

где M — масса платы с ЭРЭ, кг.

Цилиндрическую жесткость платы, Н/м, вычисляем по формуле

где Е — модуль упругости материала платы, Н/м²;

где h — толщина платы, м;

где н — коэффициент Пуассона.

Значения исходных величин для расчета цилиндрической жесткости платы следующие:

— E = 3,02· 10¹⁰ Н/м²;

— h = 1,5· 10^-3 м.

Подставляя эти значения в формулу, получим:

Масса платы с ЭРЭ составляет 44 грамма. Тогда собственная частота колебаний платы будет равна

Гц.

Печатная плата должна обладать значительной усталостной долговечностью при воздействии вибраций. Для этого необходимо, чтобы минимальная частота собственных колебаний плат удовлетворяла условию

где — безразмерная постоянная, выбирается в зависимости от величины частоты собственных колебаний и воздействующих вибраций;

b — размер короткой стороны платы, мм;

n_bmax — вибрационные перегрузки в единицах g, 3…9.

Подставив исходные данные в выражение, получим:

Собственная частота вибрации платы удовлетворяет условию.

По результатам данного расчета можно сделать вывод, что печатная плата прибора будет обладать достаточной усталостной долговечностью при воздействии вибраций.

Заключение

В результате работы над курсовым проектом была разработана конструкция устройства мобильного включателя. Данное устройство разработано с учетом современных требований конструирования РЭС. Габаритные размеры спроектированного устройства составили 0,75×0,575×0,15 м³.

В ходе курсового проектирования была проанализирована схема электрическая принципиальная, произведен выбор элементной и материальной базы. Проведены конструкторские расчеты, расчеты теплового режима, расчеты на виброустойчивость.

Список используемой литературы

выключатель тепловой электронный охлаждение Базовый принцип конструирования РЭА / Е. М. Парфенов, В. Ф. Афанасенко, В. И. Владимиров, Е. В. Саушкин; Под ред. Е. М. Парфенова. — М.: Радио и связь, 1981.

Гелль П.П., Иванов-Есипович Н. К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры. — Л.: Энергоатомиздат, 1984.

Новые транзисторы: Справочник, часть 1. — М.: Солон, Микротех, 1996.

Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой аппаратуры: Справочник, В. И. Атаев, В. А. Болотников. — М.: Издательство МЭИ, 1992.

Справочник конструктора-приборостроителя. Проектирование. Основные нормы / В. Л. Соломахо, Р. И. Томилин, Б. И. Цитович, Л. Г. Юдовин. — Мн.: Выш.шк., 1988.

Варламов Р. Г. Компоновка радиоэлектронной аппаратуры. Изд. 2-е переработанное. — М.: Сов. радио, 1975.

Роткоп Л.Л., Спокойный Ю. Е. Обеспечение тепловых режимов при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Сов. радио, 1976.

Конструирование радиоэлектронных устройств: учебно-методическое пособие для студентов специальностей I-39 02 01 «Моделирование и компьютерное проектирование РЭС», I-39 02 02 «Проектирование и производство РЭС», I-39 02 03 «Техническое обеспечение безопасности». — Мн.: БГУИР, 2007.

Карпушин В. Б. Вибрации и удары в радиоэлектронной аппаратуре. — М.: Сов. радио, 1971.

Механические воздействия и защита РЭС: Учеб. пособие для вузов / Н. И. Каленкович, Е. П. Фастовец, Ю. В. Шамгин. — Мн.: Выш. шк., 1989.