Разработка печатной платы игровой приставки Game Boy

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ № 19

ЗАДАНИЕ Для курсового проекта по курсу: «Конструирование производство и эксплуатации средств вычислительной техники»

студенту IV курса, группы 4BM2, спец. 230 101

" Вычислительные машины, комплексы, системы и сети"

Политехнического колледжа № 19

Хромову Роберту Валерьевичу ТЕМА ЗАДАНИЯ: «Разработка печатной платы игровой приставки (ИП) Game Boy»

Курсовой проект выполняется студентом колледжа в следующем объеме.

1. Конструкторская часть:

1.1 Компоновка узлов на печатной плате ИП.

1.2 Обоснование выбора схемы и элементной базы игровой приставки (ИП).

1.3 Конструкторский расчёт печатной платы ИП.

1.4 Расчёт надёжности печатной платы ИП.

2. Технологическая часть:

2.1 Трассировка печатной платы ИП.

2.2 Расчёт элементов на печатной плате ИП.

2.3 Технологический процесс монтажа микросхем на печатной плате ИП.

2.4 Процесс и время изготовления печатной платы ИП.

2.5 Техника безопасности.

3. К защите представить

3.1 Пояснительную записку

3.2 Схему электрическую принципиальную ИП.

3.3 Чертёж печатной платы ИП.

3.4 Сборочный чертёж ИП со спецификацией.

Дата выдачи 7.12.2009

Срок окончания ________

Председатель предметной комиссии ____________/Пехотник Н.Р./

Преподаватель ____________/Пехотник Н.Р./

Первое поколение компьютеров с архитектурой Фон-Неймана

Первой работающей машиной с архитектурой Фон-Неймана стал манчестерский «Baby» — Small-Scale Experimental Machine, созданный в Манчестерском университете в 1948 году; в 1949 году за ним последовал компьютер Манчестерский Марк I, который уже был полной системой, с трубками Уильямса и магнитным барабаном в качестве памяти, а также с индексными регистрами. Другим претендентом на звание «первый цифровой компьютер с хранимой программой» стал EDSAC, разработанный и сконструированный в Кембриджском университете. Заработавший менее чем через год после «Baby», он уже мог использоваться для решения реальных проблем. На самом деле, EDSAC был создан на основе архитектуры компьютера EDVAC, наследника ENIAC. В отличие от ENIAC, использовавшего параллельную обработку, EDVAC располагал единственным обрабатывающим блоком. Такое решение было проще и надёжнее, поэтому такой вариант становился первым реализованным после каждой очередной волны миниатюризации. Многие считают, что Манчестерский Марк I / EDSAC / EDVAC стали «Евами», от которых ведут свою архитектуру почти все современные компьютеры.

Первый универсальный программируемый компьютер в континентальной Европе был создан командой учёных под руководством Сергея Алексеевича Лебедева из Киевского института электротехники (СССР, Украина). ЭВМ МЭСМ (Малая электронная счётная машина) заработала в 1950 году. Она содержала около 6000 электровакуумных ламп и потребляла 15 кВт. Машина могла выполнять около 3000 операций в секунду. Другой машиной того времени была австралийская CSIRAC, которая выполнила свою первую тестовую программу в 1949 году.

В октябре 1947 года директора компании Lyons & Company, британской компании, владеющей сетью магазинов и ресторанов, решили принять активное участие в развитии коммерческой разработке компьютеров. Компьютер LEO I начал работать в 1951 году и впервые в мире стал регулярно использоваться для рутинной офисной работы.

Машина Манчестерского университета стала прототипом для Ferranti Mark I. Первая такая машина была доставлена в университет в феврале 1951 года, и, по крайней мере, девять других были проданы между 1951 и 1957 годами.

США. Машина была разработана в компании Remington Rand, которая, в В июне 1951 года UNIVAC 1 был установлен в Бюро переписи населения конечном итоге, продала 46 таких машин по цене более чем в 1 млн $ за каждую. UNIVAC был первым массово производимым компьютером; все его предшественники изготовлялись в единичном экземпляре. Компьютер состоял из 5200 электровакуумных ламп, и потреблял 125 кВт энергии.

Использовались ртутные линии задержки, хранящие 1000 слов памяти, каждое по 11 десятичных цифр плюс знак (72-битные слова). В отличие от машин IBM, оснащаемых устройством ввода с перфокарт, UNIVAC использовал ввод с металлизированной магнитной ленты стиля 1930;х, благодаря чему обеспечивалась совместимость с некоторыми существующими коммерческими системами хранения данных. Другими компьютерами того времени использовался высокоскоростной ввод с перфоленты и ввод/вывод с использованием более современных магнитных лент.

Первой советской серийной ЭВМ стала «Стрела», производимая с 1953 на Московском заводе счётно-аналитических машин.

" Стрела" относится к классу больших универсальных ЭВМ (Мейнфрейм) с трехадресной системой команд. ЭВМ имела быстродействие 2000;3000 операций в секунду. В качестве внешней памяти использовались два накопителя на магнитной ленте емкостью 200 000 слов, объем оперативной памяти — 2048 ячеек по 43 разряда. Компьютер состоял из 6200 ламп, 60 000 полупроводниковых диодов и потреблял 150 кВт энергии.

В 1955 году Морис Уилкс изобретает микропрограммирование, принцип, который позднее широко используется в микропроцессорах самых различных компьютеров. Микропрограммирование позволяет определять или расширять базовый набор команд с помощью встроенных программ (которые носят названия микропрограмма или firmware).

В 1956 году IBM впервые продаёт устройство для хранения информации на магнитных дисках — RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Оно использует 50 металлических дисков диаметром 24 дюйма, по 100 дорожек с каждой стороны. Устройство хранило до 5 МБ данных и стоило по 10 000 $ за МБ. (В 2006 году, подобные устройства хранения данных — жёсткие диски — стоят менее 0,001 $ за МБ.)

1950;е — начало 1960;х: второе поколение Следующим крупным шагом в истории компьютерной техники, стало изобретение транзистора в 1947 году. Они стали заменой хрупким и энергоёмким лампам. О компьютерах на транзисторах обычно говорят как о «втором поколении», которое доминировало в 1950;х и начале 1960;х. Благодаря транзисторам и печатным платам, было достигнуто значительное уменьшение размеров и объёмов потребляемой энергии, а также повышение надёжности. Например, IBM 1620 на транзисторах, ставшая заменой IBM 650 на лампах, была размером с офисный стол. Однако компьютеры второго поколения по-прежнему были довольно дороги и поэтому использовались только университетами, правительствами, крупными корпорациями.

Сетунь была первым компьютером на основе троичной логики, разработана в 1958 году в Советском Союзе.

В 1959 году на основе транзисторов IBM выпустила мейнфрейм IBM 7090 и машину среднего класса IBM 1401. Последняя использовала перфокарточный ввод и стала самым популярным компьютером общего назначения того времени: было выпущено 12 тыс. экземпляров этой машины. В ней использовалась память на 4000 символов (позже увеличенная до 16 000 символов). Многие аспекты этого проекта были основаны на желании заменить перфокарточные машины, которые широко использовались, начиная с 1920;х до самого начала 1970;х гг.

В 1960 году IBM выпустила транзисторную IBM 1620, изначально только перфоленточную, но вскоре обновлённую до перфокарт. Модель стала популярна в качестве научного компьютера, было выпущено около 2000 экземпляров. В машине использовалась память на магнитных сердечниках объёмом до 60 000 десятичных цифр.

В том же 1960 году DEC выпустила свою первую модель — PDP-1, предназначенную для использования техническим персоналом в лабораториях и для исследований.

В 1961 году Burroughs Corporation выпустила B5000, первый двухпроцессорный компьютер с виртуальной памятью. Другими уникальными особенностями были стековая архитектура, адресация на основе дескрипторов, и отсутствие программирования напрямую на языке ассемблера.

Первыми советскими серийными полупроводниковыми ЭВМ стали «Снег» и «Весна», выпускаемые с 1964 по 1972. Пиковая производительность ЭВМ «Снег» составила 300 000 операций в секунду. Машины изготавливались на базе транзисторов с тактовой частотой 5 МГц. Всего было выпущено 39 ЭВМ.

Наилучшей отечественной ЭВМ 2-го поколения считается БЭСМ-6, созданная в 1966. В архитектуре БЭСМ-6 впервые был широко использован принцип совмещения выполнения команд (до 14 одноадресных машинных команд могли находиться на разных стадиях выполнения). Механизмы прерывания, защиты памяти и другие новаторские решения позволили использовать БЭСМ-6 в мультипрограммном режиме и режиме разделения времени. ЭВМ имела 128 Кб оперативной памяти на ферритовых сердечниках и внешнюю памяти на магнитных барабанах и ленте. БЭСМ-6 работала с тактовой частотой 10 МГц и рекордной для того времени производительностью — около 1 миллиона операций в секунду. Всего было выпущено 355 ЭВМ.

Третье и четвёртое поколение Бурный рост использования компьютеров начался с т. н. «3-им поколением» вычислительных машин. Начало этому положило изобретение интегральных схем, которые независимо друг от друга изобрели лауреат Нобелевской премии Джек Килби и Роберт Нойс. Позже это привело к изобретению микропроцессора Тэдом Хоффом (компания Intel).

В течение 1960;х наблюдалось определённое перекрытие технологий 2-го и 3-го поколений. В конце 1975 года, в Sperry Univac продолжалось производство машин 2-го поколения, таких как UNIVAC 494.

Появление микропроцессоров привело к разработке микрокомпьютеров — небольших недорогих компьютеров, которыми могли владеть небольшие компании или отдельные люди. Микрокомпьютеры, представители четвертого поколения, первые из которых появился в 1970;х, стали повсеместным явлением в 1980;х и позже. Стив Возняк, один из основателей Apple Computer, стал известен как разработчик первого массового домашнего компьютера, а позже — первого персонального компьютера. Компьютеры на основе микрокомпьютерной архитектуры, с возможностями, добавленными от их больших собратьев, сейчас доминируют в большинстве сегментов рынка.

1. Обоснование выбора схемы и элементной базы игровой приставки (ИП)

Game Boy — это переносная игровая приставка. Игровую приставку не нужно подключать к телевизору вся информация отображается на встроенном ЖКИ имеющий разрешение 144×166 точек.

Внутри корпуса располагается центральный процессор, являющейся упрощенной версией процессора Z80, звуковой процессор и видео процессор формулирующий изображение на экране ЖКИ.

Для питания устройства применяются четыре стандартные батарейки типа АА. Так же игровая приставка имеет последовательный порт, обеспечивающего соединения двух или четырех игровых приставок с целью совместной игры.

Картридж с программным обеспечением подключается к игровой приставке через 32-контактный разъем. Внутри картриджа находится ПЗУ с программой, а иногда и ОЗУ, предназначенное для сохранения игровой ситуации.

На передней панели имеются крестовина управления и четыре отдельные кнопки.

1.1 Компоновка узлов на печатной плате игровой приставки (ИП) Компоновка элементов на печатной плате — это процесс выбора рационального места расположения элементов устройства таким образом, что бы они обеспечивали работоспособность создаваемого устройства.

Натуральная компоновка:

Используются реальные элементы, которые располагают на заготовке и размечают места сверления отверстий под выводы и соединения в полном соответствии с принципиальной схемой прибора.

Аппликационная компоновка:

В основе метода: на тонком картоне, плотной бумаге или миллиметровке вычерчивают необходимые проекции элементов. Количество проекций зависит от сложности элементов РЭА. Для малогабаритных элементов аппликации вычерчивают в увеличенном масштабе (2:1, 5:1 и более), а для крупногабаритных — в уменьшенном. Затем вырезают по контуру изображения элементов, которые и будут собственно аппликациями. Если элемент имеет несколько разнохарактерных выходов, или его части могут перемещаться в пространстве (в процессе работы), то все эти особенности необходимо учесть привычерчивании его аппликации. После подготовки необходимого количества аппликаций на листе ватмана, бумаге с координатной сеткой, или миллиметровке заданных размеров начинают раскладывать аппликации в соответствии с требованиями принципиальной схемы, условиями эксплуатации, тепловыми режимами и т. п.

Машинная компоновка в САПР:

Используются компьютерные программные пакеты обеспечивающие использование принципов перебора и оценки возможных вариантов расположения элементов и возможных варианты трассировки соединений (при минимизации суммарной длины трасс). Примерами таких программных пакетов могут служить P-Cad и Altium Designer фирмы Altium, Allegro и OrCAD фирмы Cadence Design Systems и многие другие.

При проведении операции компоновки рассматривают следующие требования:

1. Обеспечение минимального расстояния между элементами — это требование особенно важно для устройств работающих на высоких частотах и обрабатывающих большие объемы данных.

2. Восприимчивость и излучение ЭМС элементами — восприимчивые к ЭМС элементы надо располагать на достаточном расстоянии от излучающих ЭМС элементов.

3. Особенности тепловыделений элементов — элементы с высоким тепловым излучением не должны находиться в непосредственной близости от элементов неустойчивых к тепловому воздействию т. к это может привести к их выходу из строя.

4. Взаимное расположение элементов — Принято располагать элементы отвечающие за вычислительные ресурсы в центре платы, а интерфейсы по краям.

Схема ИП не содержит элементов излучающих много тепловой энергии, так же схема не содержит элементов чувствительных к ЭМС и компоненты их излучающих, следовательно при компоновке платы необходимо руководствоваться требованиями 1 и 4, в качестве метода была выбрана машинная компоновка в программном пакете P-CAD версии 2006 SP2

1.2 Конструкторский расчёт печатной платы игровой приставки (ИП) Расчет теплоотвода конвекцией.

Разрабатываемая печатная плата ИП имеет прямоугольную форму с габаритами 124Ч76, рабочая область — 110×66 мм, обладает невысокой плотностью упаковки, поэтому для её охлаждения выбран режим теплоотвода конвекцией.

Расчет количества теплоты:

· Q — кол-во теплоты (Вт)

· S — площадь поверхности (см2)

· ?t — перегрев оC

· hc — коэффициент конвекционной теплопередачи.

· с — постоянная, зависящая от ориентации поверхности:

1. вертикальная: 0,56

2. горизонтальная: 0,52

3. нижняя горизонтальная — 0,26

· lдлина теплового потока Рассматриваемая печатная плата имеет прямоугольную форму и размеры 8×16, обладает невысокой плотностью упаковки, поэтому Вычисление теплосъёма для перегрева 15о относительно внешней среды.

Горизонтальная ориентация с направлением воздуха вдоль короткой стороны:

При охлаждении данной печатной платы естественной конвекцией удаляемое количество теплоты равняется 0,091 Вт.

1.3 Расчёт надёжности печатной платы игровой приставки (ИП) игровой приставка печатный плата Надёжность — это свойство целого изделия или отдельных его элементов выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в необходимых пределах, соответствующих данным режимам и условиям использования, ремонта, хранения и транспортирования. На показатель надёжности влияют следующие характеристики схемы: элементная база, количество паек, условие эксплуатации, безотказность, долговечность, ремонтопригодность.

Безотказность — свойство изделия или отдельных его элементов непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого промежутка времени.

Долговечность — свойство изделия или отдельных его элементов сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания.

Ремонтопригодность — свойство изделия или отдельных его элементов, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению отказов, повреждений и устранению их последствий путём проведения технического обслуживания.

Сохраняемость — свойство объекта непрерывно сохранять требуемые эксплуатационные показатели в течение (и после) срока хранения и транспортирования.

Расчёт надёжности — это определение количественных характеристик надёжности с целью выявления «слабых» мест в электрических схемах и нахождения путей повышения надёжности. Рассчитанные данные должны соответствовать техническим условиям. В случае получения надёжности ниже требуемой должны быть приняты меры для её повышения.

Существует несколько методов определения надежности, и они делятся на 2 группы: приближённый и полный В данном курсовом проекте применяется полный метод расчёта надёжности по экспоненциальному закону — P (t) = e-лобщ * t. Исходными данными для расчёта являться:

1. Схема электрическая принципиальная.

2. Количество элементов.

3. лiИнтенсивность отказов.

Интенсивность отказов показывает, какая часть элементов по отношению к общему количеству исправно работающих элементов в среднем выходит из строя за единицу времени.

Средняя наработка до отказа или среднее время безотказной работы.

Тср — ожидаемая наработка объекта до первого отказа и статистически определяется отношением суммы наработки испытуемых объектов до отказа к количеству наблюдаемых объектов, если они все отказали за время испытаний.

Т0 = 1/ лобщ [1/час]

Вероятность безотказной работы P (t) — это вероятность того, что в пределах заданной наработки, т. е. заданного интервала времени, отказ объекта не возникает.

Таблица 2 Вероятности отказов.

1) Общее значение интенсивности отказов элементов схемы:

лобщ=(0,47+0,0005+0,27+0.23+0.25+0.24+0,0024+0,0004+0,0091+0,0036+0,267)*10−6 [1/час] 0,28 446*10−6[1/час].

2) Определим наработку на отказ:

Т0= 1/ лобщ = 1/0,28 446*10−6 = 64874(ч)=2703(д)=7,4(г)

3) Вероятность безотказной работы для промежутков времени.

P (t) = e-лобщ*t

P (0)= = 1

P (10)= = 0,999 694

Р (100) = = 0,996 942

Р (1000) = = 0,969 842

Р (10 000) = = 0,736 223

Р (100 000) = =0,46 783

Р (1 000 000) = =0

4) Вероятность отказов для промежутков времени.

Q (t) = 1 — P (t)

Q (0) = 1 — 1 = 0

Q (10) = 1 — 0,999 694 = 0,306

Q (100) = 1 — 0,996 942 = 0,3 058

Q (1000) = 1 — 0,969 842 = 0,30 158

Q (10 000) = 1 — 0,736 223 = 0,263 777

Q (100 000) = 1 — 0,46 783 = 0,953 217

Q (1 000 000) = 1 — 0,5 118 = 1

В результате расчета наработки на отказ было рассчитано время безотказной работы равное 7,4 года.

2. Технологическая часть:

2.1 Трассировка печатной платы ИП Современные Системы автоматизированного проектирования позволяют проводить разработку ПП в полуавтоматическом режиме: размещать компоненты в автоматическом режиме и трассировать платы большой сложности.

Автотрассировщики используют адаптивные алгоритмы, реализуемые за несколько проходов трассировки. При выполнении первого прохода автотрассировщиком выполняется соединение абсолютно всех проводников без учёта возможных конфликтов (пересечение проводников на одном слое и нарушении зазоров). На каждом последующем проходе автотрассировщик пытается уменьшить количество конфликтов, разрывая и прокладывая вновь связи (метод Rip-up-and-retry) и проводя проводники, передвигая соседние (метод Push-and-shove). Информация о конфликтах на текущем проходе трассировки используется для «обучения» — изменения весовых коэффициентов (штрафов) так, чтобы путем изменения стратегии уменьшить количество конфликтов на следующем проходе.

Печатная плата ИП была спроектирована в САПР P-CAD 2006 в автоматическом режиме: применялся оригинальный принцип представления графических данных — ShapeBased-технология.

2.2 Расчёт элементов на печатной плате ИП В данном курсовом проекте рассматривается ИП Game Boy. Для блока определяются 7 основных показателей технологичности (см. таблицу 2), каждый из которых имеет свою весовую характеристику цi. Величина коэффициента весомости зависит от порядкового номера частного показателя в ранжированной последовательности и рассчитывается по формуле:

,

где q — порядковый номер ранжированной последовательности частных показателей.

,

где q — порядковый номер ранжированной последовательности частных показателей.

Таблица 3 Показатели технологичности конструкции РЭС.

Затем на основании расчета всех показателей вычисляем комплексный показатель технологичности:

Коэффициент применения микросхем и микросборок:

Км.с =,

где Кэ. мс — общее число дискретных элементов, замененных микросхемами;

НИЭТ — общее число ИЭТ, не вошедших в микросхемы. К ИЭТ относятся резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, разъемы, реле и другие элементы.

Км.с = = 0,099

Коэффициент автоматизации и механизации монтажа:

Км.м.= ,

где Нм. м количество монтажных соединений ИЭТ, которые предусматривается осуществить автоматизированным и механизированным способом. Для блоков на печатных платах механизация относится к установке ИЭТ и последующей пайке волной припоя;

Нм — общее количество монтажных соединений. Для разъемов, реле, микросхем и ЭРЭ определяются по количеству выводов.

.

Коэффициент автоматизации и механизации подготовки ИЭТ к монтажу:

Км.п.ИЭТ =

где Нм.п.ИЭТ — количество ИЭТ в штуках, подготовка выводов которых осуществляется с помощью автоматов и полуавтоматов;

Нп.ИЭТ — общее число ИЭТ, которые должны подготавливаться к монтажу в соответствии с требованиями конструкторской документации.

Коэффициент автоматизации и механизации регулировки и контроля:

Ка.р.к = ,

где На.р.к — число операций контроля и настройки, выполняемых на полуавтоматических и автоматических стендах;

Нр.к — общее количество операций контроля и настройки. Две операции: визуальный контроль и электрический являются обязательными. Если в конструкции имеются регулировочные элементы, то количество операций регулировки увеличивается пропорционально числу этих элементов.

Коэффициент повторяемости ИЭТ:

где Нт.ор.ИЭТ — количество типоразмеров оригинальных ИЭТ в РЭС. К оригинальным относится ИЭТ, разработанные и изготовленные впервые по техническим условиям РЭС; типоразмер определяется компоновочным размером и стандартом на элемент;

Нт.ИЭТ — общее количество типоразмеров на элемент.

Коэффициент применения типовых технологических процессов:

Кт.п =

где Дт. п и Ет. п — число деталей и сборочных единиц, изготавливаемых с применением типовых и групповых технологических процессов;

Д и Е — общее число деталей и сборочных единиц в РЭС, кроме крепежа (винтов, гаек, шайб).

Кт.п =

Коэффициент освоенности ДСЕ:

Kосв =

где Дт. з — количество типоразмеров заимствованных ДСЕ, ранее освоенных на предприятии;

Дт — общее количество типоразмеров ДСЕ в РЭС.

К осв. = = 0,6

Комплексный показатель технологичности:

2.3 Технологический процесс монтажа микросхем на печатной плате ИП Печатный монтаж состоит в закреплении элементов относительно плоскости платы в определенной пространственной ориентации и упорядоченном плоскостном расположении всех соединительных проводников и контактных площадок для их пайки. Роль проводников печатной платы выполняют участки тонкой медной фольги нанесенной на изоляционное основание платы.

Печатный монтаж РЭА по сравнению с объемным монтажом имеет следующие преимущества: значительное снижение трудоемкости за счет механизации и автоматизации сборочно-монтажных работ; повторяемость параметров от образца к образцу за счет идентичности форм и размеров печатных проводников; сокращение объема контрольно-испытательных операций и их автоматизация; повышение надежности изделий из-за сокращения числа паек и уменьшения ошибок при монтаже за счет автоматизации монтажно-сборочных и контрольных операций. Помимо этого печатный монтаж имеет другие достоинства: печатные проводники выдерживают в пять раз большую плотность тока, чем объемные; упрощается процесс поиска неисправностей; уменьшается масса изделия за счет ликвидации деталей промежуточного крепления элементов и проводов.

Наибольшее применение для изготовления печатных плат получили фальгированные диэлектрические материалы (гетинакс, стеклотекстолит), представляющие собой диэлектрик с нанесенной на него с одной или двух сторон медной фольгой. Для изготовления микромодулей, микросхем и микросборок применяют печатные платы (подложки) из эластичных полимеров, полиэфирных пленок, керамики и стекла. Формовку выводов и установку элементов на печатные платы следует производить в соответствии с требованиями: расстояние от корпуса элемента ГОСТа иди ТУ на элемент. При отсутствии этих сведений стандартом приняты следующие расстояния: от корпуса до места пайки не менее 2,5 мм; от корпуса до оси изогнутого вывода на менее 2 мм. Формовку круглых или планарных выводов необходимо производить при помощи технологической оснастки, исключающей механические нагрузки на места крепления ввода и вывода. Корпуса элементов должны располагаться параллельно или перпендикулярно друг другу. Предпочтительное расположение элементов — рядовое. Навесные элементы крепятся к печатной плате с помощью собственных выводов. В случае необходимости применяют дополнительное механическое крепление. Установку элемента с зазором между его корпусом и платой используют при двустороннем монтаже; при этом печатные проводники могут располагаться под навесным элементом. Лучшим способом с точки зрения восприятия механических нагрузок является установка элементов вплотную к плате, выполняемая с помощью собственных выводов и дополнительного крепления за корпус при помощи проволочных скоб, которые впаиваются в отверстия платы.

Маркировка электрорадиоэлементов должна быть нанесена в соответствии с их обозначениями в электрических принципиальных схемах. Разрешается производить маркировку на самих элементах, если это не повлияет на их работу и не закроет маркировку изготовителя электрорадиоэлемента, которая в любом случае должна быть отчетливо видна.

Форма паяных соединений — по возможности скелетная с вогнутыми галтелями припоя по шву и без его избытка. Она должна позволять визуально просматривать через тонкий слой припоя контуры входящих в соединение отдельных монтажных элементов. Поверхность галтелей припоя по всему периметру паяного шва — вогнутая, непрерывная, гладкая, глянцевая, без темных пятен и посторонних включений. Не допускается растекание припоя за пределы контактных площадок по проводнику, так как это уменьшает расстояние между соседними паяными соединениями или проводниками. Допускаются приемке без подпайки следующие паяные соединения печатного монтажа:

а) с заливной формой пайки, при которой контуры отдельных монтажных элементов, входящих в соединение, полностью скрыты под припоем со стороны пайки соединения;

б) с частичным незаполнением припоем металлизированных отверстий печатного монтажа, если высота заполнения составляет не менее 2/3 всей высоты отверстия;

в) с растеканием припоя по выводам, печатным проводникам и контактным площадкам с обеих сторон платы, если припой не затекает под корпус радиоэлементов, микросхем и не уменьшает минимально допустимого расстояния между соседними площадками или проводниками, оговоренного в чертеже;

г) с наличием отдельных мелких газовых или усадочных пор.

Качество паяных, подпаяных и перепаяных соединений контролируется визуально у 100% монтажных соединений. Контроль линейных величин допустимых дефектов производится с помощью любого мерительного инструмента, обеспечивающего требуемую точность. При контроле качества паяных, подпаяных иди перепаяных соединений допускается:

а) применять метод сравнения с эталонными образцами паяных соединений;

б) применять при визуальном осмотре паяных швов лупы, очки-в) по требованиям заказчика производить дополнительный выборочный контроль с целью выявления в соединениях скрытых дефектов с помощью рентгенотелевизионного микроскопа;

г) проверять механическую прочность паяных соединений при наличии в технических условиях на изделие требований к их прочности;

д) применять контроль сопротивления контактного перехода паяных соединений зондовым методом.

Паяные соединения на механическую прочность испытывают на разрывных машинах. Проверка проводится выборочно на контрольных образцах. Критерием оценки механической прочности является величина сопротивления срезу или отрыву паяного соединения, которая должна составлять не менее 0,5 кг. В отдельных случаях допускается проводить проверку механической прочности специальным пинцетом непосредственно на изделиях, при этом усилие должно быть направлено вдоль оси припаянного провода.

Одно из важнейших условий надежной и стабильной работы электронной аппаратуры с полупроводниковыми приборами — эффективная отдача ими тепла в окружающее пространство. Нормальная работа диодов и транзисторов малой мощности (до 200 мВт) автоматически обеспечивается, если их режимы и температура окружающей среды не превышают максимально допустимых для конкретных приборов значений. Эффективное использование транзисторов большой мощности (свыше 1 Вт) возможно при условии, что они смонтированы на радиаторах — металлических пластинах или металлических конструкциях иной формы, способствующих отдаче тепла от транзисторов в окружающую среду. При этом тепло от электронно-дырочного перехода передается корпусу транзистора, он отдает тепло радиатору, а последний рассеивает его в окружающее пространство. Эффективность отдачи транзистором тепла радиатору зависит от качества теплового контакта между транзистором и радиатором и оценивается по величине теплового сопротивления корпус транзистора — радиатор. Это сопротивление тем меньше, чем лучше обработаны прилегающие поверхности транзистора и радиатора. Заполнение зазора между транзистором и радиатором смолой, кремнийорганическим составом или густым невысыхающим маслом (например, силиконовым) снижает тепловое сопротивление контакта. Аналогичный эффект дают прокладки из свинцовой фольги. Интегральная микросхема (ИМС) — микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющая высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, которые с точки зрения требования к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматриваются как единое целое. Коммутация микросхемы осуществляется при помощи печатных плат. Формовка выводов микросхемы применяется для увеличения расстояния между выводами, совмещения выводов с отверстиями и контактными площадками печатной платы, фиксации расстояния от корпуса микросхемы до платы. Также применяется установка микросхем без формовки выводов. Интегральные схемы со штыревыми выводами устанавливают только с одной стороны печатной платы на расстоянии 1…3 мм от монтажной плоскости до корпуса платы. Этот зазор необходим для устранения перегрева микросхемы при пайке и для возможности нанесения защитного покрытия. Для дополнительного механического крепления возможна установка ИМС на специальную подставку. Интегральные микросхемы в корпусах с планарными выводами приклеивают эпоксидным клеем с одной или двух сторон платы. Если под корпусом микросхемы проходят проводники, то его устанавливают на плату с зазором или на прокладку из стеклоткани толщиной 0,2…0,3 мм. Основные операции технологического процесса монтажа микросхем на печатной плате: входной контроль печатных плат и микросхем, формовка, обрезка и лужение выводов, установка микросхем на печатные платы, пайка электрических параметров, покрытие лаком, окончательный контроль. Групповые методы пайки обычно применяют при одностороннем расположении навесных деталей на печатной плате. При двустороннем монтаже групповая пайка возможна только с одной стороны, а пайка с другой стороны производится монтажным паяльником. Различают несколько типов групповой пайки: пайка погружением, пайка волной припоя, каскадная пайка, избирательная пайка. Технологический процесс пайки печатных плат с односторонним монтажом методом погружения и волной припоя состоит из следующих этапов: обезжиривание, наклейка маски, пайка, удаление маски и остатков флюса, контроль. Обезжиривание выполняют погружением платы со стороны монтажа в растворитель, состоящий из смеси спирта с бензином. Затем плату обдувают воздухом до полного высыхания. Участки и проводники платы, которые не подвергаются пайке, закрывают маской. Последнюю штампуют из бумажной ленты, покрытой костным клеем. В маске пробивают отверстия против мест пайки и базовые, маску приклеивают так, чтобы места пайки не выходили за пределы отверстий в маске.

При пайке погружением плату устанавливают в приспособление с вибрационной головкой и погружают на 4.6 см в расплавленный флюс (обычно 40% канифоли и 60 этилового спирта), а затем в припой (ПОС61), расплавленный при помощи нагревателя. Через 1 с после погружения включают вибратор, что создает условия для проникновения флюса и припоя в отверстия и способствует правильному оформлению пайки. Амплитуда вибрации устанавливается экспериментально для каждого типа и размера плат в пределах такого максимального значения, при котором не происходит разбрызгивания флюса и припоя. Время выдержки при температуре припоя 240 °C составляет 6.11 с, а при температуре припоя 250 °C 4…8 с. По окончании пайки плату извлекают из припоя и, не включая вибратор, выдерживают над ванной 5.7 с.

К недостаткам пайки погружением относятся коробление плат вследствие температурных деформаций, необходимость поддержания постоянной высоты уровня припоя в ванне и быстрое окисление расплавленного припоя.

Пайка волной припоя не имеет этих недостатков. В ванне находится припой, расплавленный нагревателем. Печатная плата проходит по гребню волны, которая создается подачей припоя через сопло крыльчаткой. Контакт платы с постоянным притоком припоя обеспечивает быструю передачу тепла, что сокращает время пайки.

Для удаления маски плату погружают на 0,8…0,9 ее толщины в ванну с горячей (90 С) водой и выдерживают до тех пop пока она не отклеится (2.3 мин). Затем плату обдувают горячим воздухом до полного высыхания.

Удаление флюса осуществляется погружением в ванну со смесью бензина (50%) и спирта (50%) на 2.4 мин.

2.4 Процесс и время изготовления печатной платы ИП В нашей стране ГОСТами предусмотрены следующие классы печатных плат:

1. Односторонние печатные платы — обладают невысокой надежностью и прочностью крепления навесных элементов. Элементы располагаются с одной стороны платы. Также характеризуется высокой точностью выполняемого рисунка. Применяется в несложных РЭА.

2. Двусторонние печатные платы — обеспечивает высокую плотность установки и трассировки компонентов. Переходы проводников осуществляются через металлизированные отверстия.

3. Многослойные печатные платы — обеспечивают очень высокую плотность монтажа с проводящим рисунком от 2 и более слоёв, между которыми возможно соединение.

4. Гибкие печатные платы — аналогична двусторонним печатным платам, но имеет гибкое основание.

В следствии относительно простой конструкции ИП для производства была выбрана двусторонняя печатная плата.

Для изготовления односторонних и двусторонних печатных плат наибольшее распространение получили три метода: негативный, позитивный и электрохимический.

Негативный метод широко применяется в производстве не только односторонних печатных плат, но и для изготовления внутренних слоев многослойных печатных плат, а также гибких. Основным преимуществом химического метода является простота и малая длительность технологического цикла, что облегчает автоматизацию, а недостатком отсутствие металлизированных отверстий и низкое качество.

Электрохимический метод требует большого количества специализированного оборудования, менее надежен. Необходим главным образом для изготовления двусторонних печатных плат так как при нём получают металлизированные отверстия что позволяет соединять печатные проводники находящиеся на различных сторонах платы.

Позитивный метод основан на химическом и электрохимическом методах. Позволяет получить проводники повышенной точности. Преимуществом позитивного комбинированного метода по сравнению с негативным является хорошая адгезия проводника, повышенная надежность монтажных и переходных отверстий, высокие электроизоляционные свойства. Последнее объясняется тем, что при длительной обработке в химически агрессивных растворах диэлектрическое основание защищено фольгой.

В данном курсовом проекте был выбран позитивный метод, т.к. по сравнению с химическим он обладает лучшим качеством изготовления, достаточно хорошими характеристиками, а также в нем металлизируются отверстия, что обеспечит более надежный монтаж навесных элементов.

В зависимости от основы и пропиточного материала различают несколько типов материалов для диэлектрической основы печатной платы:

· Фенольный гетинакс — это бумажная основа, пропитанная фенольной смолой. Гетинаксовые платы предназначены для использования в бытовой аппаратуре, поскольку очень дешевы.

· Эпоксидный гетинакс — это материал на такой же бумажной основе, но пропитанный эпоксидной смолой.

· Эпоксидный стеклотекстолит — это материал на основе стеклоткани, пропитанный эпоксидной смолой. В этом материале сочетаются высокая механическая прочность и хорошие электрические свойства.

Как правило, слоистые пластики на фенольном, а также эпоксидном гетинаксе не используются в платах с металлизированными отверстиями. В таких платах на стенки отверстий наносится тонкий слой меди. Так как температурный коэффициент расширения меди в 6−12 раз меньше, чем у фенольного гетинакса, имеется определенный риск образования трещин в металлизированном слое на стенках отверстий при термоударе, которому подвергается печатная плата в машине для групповой пайки, поэтому в этом курсовом проекте был выбран эпоксидный стеклотекстолит.

В качестве фольги, используемой для фольгирования диэлектрического основания можно использовать медную, алюминиевую или никелевую фольгу. Однако, алюминиевая фольга уступает медной из-за плохой паяемости, а никелевая — из-за высокой стоимости. Поэтому в качестве фольги выбирается медь.

Медная фольга выпускается различной толщины. Стандартные толщины травления меди по толщине травитель воздействует также на медную фольгу со стороны боковых кромок под фоторезистом, вызывая так называемое подтравливание. Чтобы его уменьшить обычно применяют более тонкую медную фольгу толщиной 35 и 17,5 мкм. Поэтому была выбрана медная фольга толщиной 35 мкм.

Исходя из всех вышеперечисленных сравнений для изготовления печатной платы позитивным комбинированным способом выбиран фольгированный стеклотекстолит СФ-2−35.

Также необходимо выбрать тип производства. В настоящий момент известно 3 типа производства:

· Единичное производство — характеризуется единичным или малым объемом выпускаемых изделий, процесс изготовления которых не повторяется или повторяется через необходимый момент времени. Данный тип производства характеризуется универсальностью оборудования, довольно таки дорогой себестоимостью изделия, а так же высококвалифированным персоналом, который должен уметь выполнять весь комплекс операций по созданию изделия.

· Серийное производство — характеризуется серями: малосерийное, среднесерийное и многосерийное. Выпуск изделий цикличен и может быть ежедневным, ежемесячным или ежеквартальным, в зависимости от сложности выпускаемого изделия. В данном типе производства обычно используется автоматика, гибкие производственные системы, а также робототехника. Персонал имеет среднюю или высокую квалификацию, производительность труда возрастает по сравнению с серийным производством, а себестоимость изделия уменьшена.

· Массовое производство — это производство продукции в течении длительного времени. Характеризуется поточным производством, из-за чего оснастка и оборудование очень дорогое и полностью автоматизировано. Рабочие обычно закреплены за своим кокретным рабочим местом и своей операцией, квалификация средняя или низкая. Производство высокопроизводительное, себестоимость изделия низкая.

Так как в данном курсовом проекте изготавливается всего одно изделие, было выбрано единичное производство.

Технологический процесс изготовления печатной платы позитивным методом состоит из следующих операций:

1. Резка заготовок

2. Пробивка базовых отверстий

3. Подготовка поверхности заготовок

4. Нанесение сухого пленочного фоторезиста

6. Сверловка отверстий

7. Химическое меднение

8. Снятие защитного лака

9. Гальваническая затяжка

10. Электролитическое меднение и нанесение защитного покрытия

11. Снятие фоторезиста

12. Травление печатной платы

13. Осветление печатной платы

14. Оплавление печатной платы

15. Механическая обработка Далее пункты расписаны более подробно:

1) Из листоа фольгированного диэлектрика одноножевыми роликовыми ножницами вырезается заготовка требуемых размеров с припуском на технологическое поле по 10 мм с каждой стороны. Далее с торцов заготовки необходимо снять напильником заусенцы во избежание повреждения рук во время технологического процесса. Качество снятия заусенцев определяется визуально. Резка заготовок не должна вызывать расслаивания диэлектрического основания, образования трещин, сколов, а также царапин на поверхности заготовок.

2) В данном технологическом процессе заготовку сверлят на сверлильном станке. Скорость вращения сверла при этом должна быть в пределах 15 000−20 000 об/мин, а осевая скорость подачи сверла: 5−10 мм/мин Заготовку закрепляют и на сверлильном станке просверливаются базовые отверстия.

3) От состояния поверхности фольги и диэлектрика во многом определяется адгезия наносимых впоследствии покрытий. Качество подготовки поверхности имеет важное значение как при нанесении фоторезиста, так и при осаждении металла. Широко используют химические и механические способы подготовки поверхности или их сочетание. Консервирующие покрытия легко снимаются органическим растворителем, с последующей промывкой в воде и сушкой. Окисные пленки, пылевые и органические загрязнения удаляются последовательной промывкой в органических растворителях и водных растворах фосфатов, соды, едкого натра.

4) От фоторезиста очень часто требуется высокое разрешение, а это достигается только на однородных, без проколов пленках фоторезистов, имеющих хорошее сцепление с фольгой. Необходимо свести до минимума содержание влаги на плате или фоторезисте, так как она может стать причиной проколов или плохой адгезии. Все операции с фоторезистом нужно проводить в помещении при относительной влажности не более 50%. Для удаления влаги с поверхности платы применяют сушку в термошкафах.

5) Лак наносится для того, чтобы защитить поверхность платы от процесса химического меднения. Лак обычно наносится окунанием в ванну с лаком, поливом платы с наклоном в 10−150 или распылением из пульверизатора. Затем плата сушится в сушильном шкафу при температуре 60−1500 Сo в течение 2−3 ч.

6) В данном технологическом процессе сверление отверстий производится на одношпиндельном сверлильном станке. Необходимо обеспечивать следующие режимы сверления: 20 000−25 000 об/мин, скорость осевой подачи шпинделя 2−10 мм/мин. Перед сверлением отверстий необходимо подготовить заготовку и оборудование к 1−2 мин, далее подготовить станок к работе, затем обезжирить сверло в спирто-бензиновой смеси и далее сверлить отверстия согласно чертежу. После сверления необходимо удалить стружку и пыль с платы и продуть отверстия сжатым воздухом.

7) Химическое меднение является первым этапом металлизации отверстий. При этом возможно получение плавного перехода от диэлектрического основания к металлическому покрытию, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. Процесс химического меднения основан на восстановлении ионов двухвалентной меди из ее комплексных солей.

8) Перед гальваническим меднением необходимо снять слой защитного лака с поверхности платы. В зависимости от применяемого лака существуют различные растворители. Некоторые лаки возможно снять ацетоном.

9) Слой химически осажденной меди обычно имеет небольшую толщину (0,2−0,3 мкм), рыхлую структуру, легко окисляется на воздухе, непригоден для токопрохождения, поэтому его защищают гальваническим наращиванием («затяжкой») 1−2 мкм гальванической меди.

10) Чтобы при травлении проводники и контактные площадки не стравливались их необходимо покрыть защитным металлическим покрытием. Существует различные металлические покрытия (в основном сплавы), применяемые для защитного покрытия. В данном технологическом процессе применяется сплав олово-свинец. Сплав олово-свинец стоек к воздействию травильных растворов на основе персульфата аммония, хромового ангидрида и других, но разрушается в растворе хлорного железа, поэтому в качестве травителя раствор хлорного железа применять нельзя.

11) Перед операцией травления фоторезист с поверхности платы необходимо снять. При большом объеме выпуска плат это следует делать в установках снятия фоторезиста. При небольшом количестве плат фоторезист целесообразней снимать в металлической кювете щетинной кистью в растворе хлористого метилена.

12) Травление предназначено для удаления незащищенных участков фольги с поверхности платы с целью формирования рисунка схемы. Существует несколько видов травления: травление погружением, травление с барботажем, травление разбрызгиванием, травление распылением. Травление с барботажем заключается в создании в объеме травильного раствора большого количества пузырьков воздуха, которые приводят к перемешиванию травильного рас твора во всем объеме, что способствует увеличению скорости травления. В данном случае применяется травление с барботажем.

13) Осветление покрытия олово-свинец проводится в растворе двухлористого олова, соляной кислоты и тиомочевины. Для этого необходимо погрузить плату на 2−3 мин в раствор осветления.

14) Оплавление печатной платы производится с целью покрытия проводников и металлизированных отверстий оловянно-свинцовым припоем.

15) Механическая обработка необходима для обрезки печатных плат по размерам (отрезка технологического поля) и снятия фаски.

3. Техника безопасности

1) Проверить целостность шнура, штепсельной вилки и розетки.

2) Проверить целостность самого паяльника, на наличие повреждений изоляции.

3) Если при включении паяльника слышен треск — немедленно выключайте его.

4) Не работать в помещениях с повышенной влажностью.

5) Не работать влажными руками.

6) При выключении не тянуть за провод.

7) Держать паяльник только за ручку, избегая прикосновений к металлическим частям (очень высокая температура)

8) Работать только в проветриваемом помещении.

9) При пайке не наклоняться над паяльником ближе чем на 20 см. во избежание попадания брызг олова и горячих паров в глаза.

10) Не работать вблизи горючих и легковоспламеняющихся предметов и на столах из горючих материалов без негорючей подставки.

11)В перерывах между работой ставить паяльник только на подставку.

12) Не в коем случае не ронять даже выключенный паяльник.

13) После окончания работы не прикасаться к жалу и корпусу паяльника до его полного остывания (15−30 минут).

При выплавке припоев и пайке выделяются вредные для здоровья людей газы, пары, пыль, особенно лития, натрия, калия, кадмия, цинка, бериллия, которые могут вызвать отравление организма, поражение кожи, раздражение сетчатки глаз и т. д. Неосторожное обращение с водородом и водородосодержащими газами может привести к взрыву и несчастным случаям.

В связи с этим, перед изготовлением припоев и пайкой необходимо хорошо знать и точно соблюдать основные правила техники безопасности. Помещение, в котором производится выплавка припоев, пайка изделий, должно удовлетворять требованиям «Санитарных норм проектирования промышленных предприятий» и «Противопожарных норм строительного проектирования промышленных предприятий и населенных мест» (Н—101—54 изд. 1958).

Воздух в рабочем помещении должен быть чист от вредных газов, паров и пыли. Стены и полы должны быть гладкими, стены должны быть покрашены масляной краской, полы облицованы плиткой; необходимо постоянно поддерживать их чистоту. Рабочее помещение должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией, при неисправности которой работы прекращаются. К умывальникам помещения должна быть подведена холодная и горячая вода.

При рaбoте пaяльникoм oбязaтельнo сoблюдaют следующие прaвилa: ручкa электрическoгo пaяльникa дoлжнa быть сухoй, не прoвoдящей тoкa; гoрячий пaяльник уклaдывaют нa специaльную метaллическую пoдстaвку; перегретый пaяльник не oхлaждaют в жидкoсти; зaпрещенo выпoлнять пaйку детaлей, в кoтoрых нaхoдились легкoвoсплaменяющиеся мaтериaлы без предвaрительнoй oчистки и прoмывки детaлей, a также вблизи легкoвoсплaменяющихся мaтериaлoв, при oтсутствии местнoй вентиляции; тщaтельнo моют руки после рaбoты.