Проектирование акселерометра

а) б) в)

Рис.1.19. Разновидности МПП: а) МПП - 6 слоев, попарного прессования, изготавливаются из двухстороннего фольгированого диэлектрика; б) МПП - 8 слоев, попарного прессования, изготавливаются из двухстороннего фольгированого диэлектрика; в) МПП - 8 слоев, наружные слои формируются из односторонне фольгированного диэлектрика.

Посредством чередования экранных и функциональных слоев внутри платы удается получать проводники (цепи) с определенными электрическими параметрами, например с нормированным волновым сопротивлением.

Трассировочная способность МПП (при прочих равных условиях) зависит от количества слоев. В реальных платах: 8 - 12, хотя известны платы с 22 слоями и выставочные образцы, содержащие 100 слоев. Увеличение числа слоев связано с проблемами металлизации сквозных отверстий (требуется сложное специализированное оборудование и тонкие технологии).

МПП с внутренними межслойными переходами имеют более высокую трассировочную способность по сравнению с МПП без таких переходов (при одинаковой их толщине), что влияет на рост себестоимости изделия. Поэтому применение таких плат оправдано только в случаях, когда количество слоев и соответственно толщина платы по разным причинам не должны превышать заданную величину. Тогда для обеспечения трассировки всех функциональных цепей приходится применять МПП с внутренними межслойными переходами.

Стоимость МПП очень высока и зависит от количества слоев, причем при наличии межслойных переходов она почти в два раза выше, чем без них. Такие платы применяются в быстродействующих устройствах с микросхемами высокой степени интеграции. На практике это микросхемы в корпусах с 64 и более выводами. Принятые границы степени интеграции достаточно условны.

Прежде чем приступать к конструированию конкретной печатной платы, необходимо решить ряд конструкторских и технологических вопросов, от которых во многом зависит, какие исходные данные должны вводиться в программу проектирования печатной платы. Часть параметров регламентирована ГОСТами и определяется уровнем производства, при этом большинство параметров ПП устанавливается или рассчитывается для каждого конкретного проекта. Однако некоторые специалисты предпочитают при конструировании печатных плат пользоваться определенным набором усредненных параметров, что заметно упрощает разработку, но не всегда обеспечивает высокие компоновочные характеристики устройства. [6].

Для ячейки датчика ускорения, рассматриваемой в данной дипломной работе, как материал платы применялся стеклотекстолит СФ-2-35, так как он обеспечивает необходимый запас по прочности без применения специальных методов увеличения прочности. Печатные платы из стеклотекстолита имеют нужную устойчивость к механическим, вибрационным, климатическим воздействиям по сравнению с платами из гетинакса. Основные характеристики гетинакса и стеклотекстолита приведены в табл.1.2:

Таблица 1.2

Основные характеристики материалов предназначенных для изготовления печатных плат.

Материал	Плотность		Рабочая температура С	Удельное сопротивление
Гетинакс ГФ1-50 ГОСТ 10316-78	1,4	78	-60 +105
Стеклотекстолит СФ-2-35 ГОСТ 10316-78	1,5	294	-60 +105

Размеры плат не рекомендуется брать более 240х360 мм при обычных и 50х50 мм при малогабаритных деталях. Это связано с тем, что при больших габаритных размерах ПП увеличивается длина печатного проводника, чем снижается его прочность, снижается сила сцепления печатного проводника с изоляционным материалом, что требуется затем дополнительное сцепление путем предусмотрения дополнительных контактных площадок и отверстий. Из-за этого увеличиваются паразитные связи, что неблагоприятно сказывается на параметры устройства (помехи, пульсации, паразитные связи, наводки и т.д.). Одновременно снижается механическая жесткость печатной платы.

1.5 Обоснование выбора компонентной базы

Выбор компонентной базы проводится на основе функциональной схемы с учетом изложенных в ТЗ условий и требований. Эксплуатационная надежность компонентной базы в основном определяется правильным выбором типа элементов при проектировании и при использовании в режимах, которые не превышают предельно допустимые [8].

Для правильного выбора типа компонентов необходимо на основе требований по установке в частности климатических, механических и др. влияний проанализировать условия работы каждого элемента и определить:

· эксплуатационные факторы (интервал рабочих температур, относительную влажность окружающей среды, атмосферное давление, механические нагрузки и др.);

· значения параметров и их разрешенные изменения в процессе эксплуатации (номинальное значение, допуск, сопротивление изоляции, шумы, вид функциональной характеристики и др.);

· разрешенные режимы и рабочие электрические нагрузки (мощность, напряжение, частота, параметры импульсного режима и др.);

· показатели надежности, долговечности и срока сохранения.

Критерием выбора в устройстве электрорадиокомпонентов (ЭРК) является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРК, заданных условиями работы и эксплуатации [3].

Основными параметрами при выборе ЭРК является:

· технические параметры:

· номинальное значение параметров ЭРК согласно принципиальной электрической схемы прибора;

· допустимые отклонения величины ЭРК от их номинального значения;

· допустимое рабочее напряжение ЭРК;

· допустимая мощность рассеивания ЭРК;

· диапазон рабочих частот ЭРК;

· коэффициент электрической нагрузки ЭРК.

· эксплуатационные параметры:

· диапазон рабочих температур;

· относительная влажность воздуха;

· атмосферное давление;

· вибрационные нагрузки;

· другие показатели.

· Дополнительными критериями при выборе ЭРК является:

· унификация ЭРК;

· масса и габариты ЭРК;

· наименьшая стоимость.

Выбор компонентной базы по вышеназванным критериям позволяет обеспечить надежную работу изделия. Применение принципов стандартизации и унификации ЭРК при конструировании изделия позволяет получить следующие преимущества:

· значительно уменьшить сроки и стоимость проектирования;

· сократить на предприятии номенклатуру примененных деталей и сборочных единиц;

· увеличить масштабы производства;

· исключить разработку специальной оснастки и специального оборудования для каждого нового варианта схемы, то есть упростить подготовку производства;

· создать специализированное производство стандартных и унифицированных сборочных единиц для централизованного обеспечения предприятия;

· улучшить эксплуатационную и производственную технологичность;

· снизить себестоимость выпуска проектируемого изделия.

Учитывая факторы, перечисленные выше, сделаем выбор компонентной базы для разрабатываемой ячейки датчика ускорения.

В табл.1.3 приведены результаты выбора компонентной базы

Таблица 1.3

Перечень КБ

Наименование	Количество, шт.
Акселерометр ММА1220D	1
Чип - резисторы 0805	21
Чип - конденсаторы 0805-X7R, 0805-NPO	42
Конденсаторы танталовые C3225X7R1C106K TDK 1210-X7R	2
Микросхемы AD620AN, AD633JR, AD8021AR	8

1.6 Размещение компонентов и разработка топологии печатной платы

При размещении компонентов на печатной плате необходимо руководствоваться следующими принципами:

* длина соединений между компонентами должна быть минимальной;

* необходимо максимально разнести наиболее термочувствительные компоненты схемы и тепловыделяющие элементы, за исключением термодатчиков, специально предназначенных для обнаружения изменения температуры тепловыделяющих элементов схемы;

* для обеспечения наибольшей механической прочности платы необходимо равномерно (с точки зрения массы) разместить компоненты на поверхности печатных плат;

* элементы стабилизаторов должны находятся на максимальном удалении (расстоянии) от входных сигнальных цепей для увеличения помехозащищённости устройства;

* для удобства монтажа однотипные ЭРК рекомендуется размещать группами.

Конструирование ПП осуществляют ручным, полуавтоматизированным и автоматизированным методами. При ручном методе размещение ИЭТ на ПП и трассировку печатных проводников осуществляет непосредственно конструктор. Данный метод обеспечивает оптимальное распределение проводящего рисунка. Полуавтоматизированный метод предусматривает: размещение навесных ИЭТ с помощью ЭВМ при ручной трассировке печатных проводников; ручное размещение ИЭТ при автоматизированной трассировке печатных проводников; ручное размещение ИЭТ при ручной трассировке печатных проводников с автоматизированным переносом рисунка на машинные носители. Метод обеспечивает высокую производительность труда. Автоматизированный метод предусматривает: кодирование исходных данных; размещение навесных элементов; трассировку печатных проводников с помощью ЭВМ. Допускается доработка отдельных соединений вручную. Метод обеспечивает высокую производительность труда.

В ячейке датчика ускорения ПМК без ограничений по сложности монтируются с двух сторон платы, а ТМК с одной стороны платы. Таким образом, сборка и монтаж будут осуществляться по варианту IIIв (см. рис.1.20).

Рис.1.20. Вариант сборки и монтажа ячейки датчика ускорения: 1 - емкостной акселерометр; 2 - конденсатор танталовый; 3 - интегральная микросхема в корпусе SOIC; 4 - печатная плата; 5 - чип-конденсатор; 6 - чип-резистор.

Сборка и монтаж компонентов ячейки датчика ускорения будет осуществляться на двухслойную ПП. Материал платы - стеклотекстолит марки СФ-2-35.

Размещение и трассировка связей между навесными компонентами проводилась с помощью системы проектирования P-CAD с целью обеспечения минимальной площади, занимаемой схемой, выполняя при этом конструкторско-технологические ограничения на ширину проводников, контактных площадок и зазоров между проводниками.

Система P-CAD предназначена для проектирования многослойных печатных плат (ПП) вычислительных и радиоэлектронных устройств. В состав P-CAD входят четыре основных модуля - P-CAD Schematic, P-CAD PSB, P-CAD Library Executive, P-CAD Auto-routers и ряд других вспомогательных программ (см. рис. 1.21).

Рис. 1.21. Структурная схема проектирования P-CAD

В системе P-CAD трассировку можно разделить на несколько видов: ручную, полуавтоматическую и автоматическую трассировки. Трассировщик Quick Route относится к трассировщикам лабиринтного типа и предназначен для трассировки простейших ПП. Второй автоматический трассировщик PRO Route трассирует ПП с числом сигнальных слоев до 32. Трассировщик P-CAD Shape-Based Router - бессеточная программа автотрассировки ПП. Программа предназначена для автоматической разводки многослойных печатных плат с высокой плотностью размещения компонентов. Эффективна при поверхностном монтаже корпусов компонентов, выполненных в различных системах координат. Имеется возможность размещения проводников под различными углами на разных слоях платы, оптимизации их длины и числа переходных отверстий. Также можно установить дополнительно к P-CAD еще один автотрассировщик SPECCTRA - программа ручного, полуавтоматического и автоматического размещения компонентов и трассировки проводников. Трассирует ПП большой сложности с числом слоев до 256. В программе используется так называемая бессеточная технология трассировки. За счет этого повышается эффективность трассировки ПП с высокой плотностью размещения компонентов, а также обеспечивается трассировка одной и той же цепи трассами различной ширины. Программа SPECCTRA имеет модуль AutoPlace предназначенный для автоматического размещения компонентов на ПП.

На сегодняшний день SPECCTRA является наиболее “продвинутым” автотрассировщиком и используется при проектировании сложных печатных плат.

1.6.1 Правила проектирования топологии

Факторы, определяющие топологию, могут быть разделены на два основных класса: графические и электрические. Графические факторы обусловлены только разрешающей способностью и допусками процесса изготовления. Электрические же факторы обусловлены с такими ограничивающими характеристиками компонента, как пробивные напряжения, предельно допустимая плотность тока в металлическом проводнике, паразитные сопротивления и емкости проводников. Об этих двух классах факторов обычно говорят как о «своде правил проектирования». У различных изготовителей печатных плат правила проектирования различны, но все они чётко определяют минимальные размеры, а также максимальные значения параметров, которые диктуются каждым технологическим процессом с целью обеспечения массового производства с высоким (заданным) выходом годных и эксплуатационно надёжных печатных плат.

Приводимые ниже основные правила проектирования являются типичными для всей промышленности производства печатных плат. Каждому правилу соответствует диапазон минимальных размеров, определяемый на основе анализа соответствующих величин, принятых у различных изготовителей печатных плат.

Важно отметить, что здесь перечисляются только основные правила. В зависимости от особенностей конкретного технологического процесса может оказаться необходимым введение многих дополнительных правил. Значительная часть этих правил держится изготовлением в тайне, так как они могут пролить свет на специфику избранного технологического процесса, рассматриваемую как производственный секрет.

Графические правила проектирования.

Приводимые ниже размеры обусловлены материалом, из которого изготавливается печатная плата, и классом точности.

Толщина односторонних и двухслойных печатных плат напрямую зависит от используемого материала, который выбирается по соображениям механической прочности и жесткости. Если исходным материалом является фольгированный диэлектрик (стеклотекстолит и т.д.), то толщина печатной платы определяется именно им (табл. 1.1).

Для производства ячейки датчика ускорения в качестве материала печатной платы используют стеклотекстолит фольгированный СФ2-35 ГОСТ 10316-78, ниже приведены его характеристики:

Состав:

Стеклоткань, один или два слоя медной гальвоностойкой фольги, эпоксидное связующее.

Назначение:

Для изготовления печатных плат.

Основные характеристики:

1. Класс нагревостойкости: 85°С

2. Габариты: Листы размером (1010-1190)х(890-1220)мм - толщина 1,5-3,0мм.

3. Поверхностное электрическое сопротивление после кондиционирования в камере влажности:

4. при 96ч / 40 °С / 93% не менее: 4х1010 Ом

5. при 1ч / 23 °С / 75% не менее: 2х1012 Ом

6. Удельное объемное электрическое сопротивление после кондиционирования в камере влажности при 96ч/ 40°С / 93% не менее: 2х109 Ом·м

7. Тангенс угла диэлектрических потерь после кондиционирования в камере влажности при 96ч/ 40°С / 93% и восстановления, не более: 0,014

8. Диэлектрическая проницаемость после кондиционирования в камере влажности при 96ч/ 40°С / 93% и восстановления, не более: 4,3

9. Водопоглощение, не более: 6,4 мг

Электрические правила проектирования

ГОСТ 23.751-86 устанавливает допустимую токовую нагрузку на элементы проводящего рисунка, выполненные из медной фольги, - 100 - 250 А/мм2. Обычно нижний предел принимается для внутренних проводников многослойных печатных плат, а верхний - для наружных слоев. Считается, что теплообмен проводников на наружных слоях лучше и что они способны пропускать большие токовые нагрузки без опасного перегрева. Конкретные размеры печатных проводников в зависимости от токовой нагрузки либо рассчитывают, используя приведенные данные, либо выбирают по номограмме, в которой представлены различные значения перегрева в условиях естественной конвекции для одиночных печатных проводников постоянной ширины, расположенных на наружных слоях и на расстоянии, равном ширине проводника.

Величину допустимой токовой нагрузки, полученную по номограмме, следует скорректировать:

· для печатных проводников, расположенных на расстоянии больше своей ширины, увеличить на 15%;

· для печатных проводников на платах, выполненных по полуаддитивной технологии, уменьшить на 25%;

· для печатных проводников на платах, выполненных по аддитивной технологии, уменьшить вдвое.

В ряде случаев, чтобы оценить нагрузочную способность печатных проводников, достаточно помнить, что проводник толщиной 35 мкм (а это наиболее распространенная толщина) и шириной 1 мм при перегреве в 20 С пропускает ток в 3 А. С помощью этих данных легко рассчитать нагрузочную способность проводников любой ширины. Но повторяем, что это оценочный расчет.

Минимальные зазоры между элементами проводящего рисунка (т.е. зазоры между любыми металлизированными элементами печатной платы) определяются с основном технологией печатных плат и допустимыми напряжением между соседними (смежными) элементами.

В слаботочной и низковольтной аппаратуре (а это большинство устройств, построенных с применением цифровых и аналоговых микросхем) ширина печатных проводников и зазоры выбираются минимальными для технологии и конструкции изделия. Эти данные для ПП различных классов точности и нескольких вариантов изготовления содержатся в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Зависимость ширины проводника от класса точности

Класс точности	Ширина проводника, мм	Минимальный зазор, мм
	Номинальное значение	Минимальное значение
		без покрытия	с покрытием
1	0,75	0,6	0,55	0,75
2	0,45	0,35	0,35	0,45
3	0,25	0,2	0,15	0,25
4	0,15	0,12	0,1	0,15
5	0,1	0,07	0,07	0,1

Кроме того, размеры (ширина) печатных проводников, зазоры между ними и величина допусков влияют на шаг трассировки. Формально на печатной плате возможен любой шаг трассировки, но для получения максимальной трассировочной способности необходимо его согласовать с шагом металлизированных отверстий.

Обычно шаг трассировки выбирается кратным шагу отверстий. Точнее, шаг между отверстиями должен быть равен целому числу шагов трассировки проводников.

Именно поэтому нежелательно иметь на печатной плате группы отверстий с различными шагами, но на сегодняшний день одновременное использование компонентов с разными шагами стало правилом, а не исключением. Чаще всего на одной плате компонуются компоненты с метрическим и дюймовым шагами выводов. В подобной ситуации можно ориентироваться на шаг большинства компонентов. В затруднительных случаях лучше взять за основу шаг отверстий у компонентов, размещаемых в центральной части печатной платы. Именно в этой области необходимо обеспечить наибольшую трассировочную способность, поскольку трассировка там самая плотная.

В метрической системе наиболее распространенным считается шаг выводов в 2,5 мм (имеются в виду штыревые выводы). Это основной шаг при формовке выводов многих навесных элементов, включенных в ОСТ 4.010.030-81 или ОСТ 45.010.030-92, в соответствии с ГОСТ 29137-91. Для шага металлизированных отверстий, равного 2,5 мм, можно принять шаг трассировки 2,5; 1,25; 0,625; 0,5 и 0,3125, а для дюймового шага (2,54 мм) -- 2,54; 1,27; 0,635 и 0,3175.

В табл. 1.5 приведены минимальные расчетные (теоретические) значения и соответствующие рекомендуемые шаги трассировки, в которых учитывается кратность шага металлизированных отверстий.

Таблица 1.5

Минимальные значения шага трассировки

Класс точности	1	2	3	4	5
Проводники без покрытия	0,75+/-0.15	0,45+/-0,1	0.25+/-0.05	0.15+/-0.03	0,1+/-0,03
Проводники с покрытием	0,75	+0,25	0,45	+0,15	0,25+/-0,1	0,15+/-0,05	0,1+/-0,03
		-0,2		-0,1
Минимальный зазор	0,75	0,45	0,25	0,15	0,1
Расчетный шаг трассировки	1,65	1,0	0,55	0,35	0,23
Рекомендуемый шаг трассировки	2,5	1,25	0,625	0,5	0,3175
	2,54	1,27	0,635		0,31175

1.7 Конструкция ячейки

Ячейка датчика ускорения располагается на одной печатной плате. Плата ячейки крепится на несущий каркас. На плате ячейки используется двухстороннее расположение элементов.

Принцип работы датчиков ускорения основан на измерении смещения инерционной массы относительно корпуса и преобразовании его в пропорциональный электрический сигнал. Емкостный метод преобразования измеренного перемещения является наиболее точным и надежным, поэтому датчики ускорения емкостного типа получили широкое распространение. Структура датчика ускорения состоит из различных пластин, одни из которых являются стационарными, а другие свободно перемещаются внутри корпуса. Между пластинами образуется конденсатор, величина емкости которого зависит от расстояния между пластинами. Под влиянием силы ускорения емкость конденсатора меняется.

Интегральные датчики ускорения объемной конструкции имеют ряд недостатков. Во-первых, они сложны в производстве, поскольку операции формирования объемных структур не очень просто совмещаются со стандартными поверхностными интегральными технологиями. Во-вторых, желательно иметь датчик минимально возможных размеров на схемном кристалле также минимально возможных размеров. Уменьшение размеров кристалла дает повышение его механической прочности и снижение стоимости. В то же время в датчике объемной конструкции только на размещение чувствительного элемента требуется от 6,5 до 16 площади кристалла. Размещение на кристалле схем формирования сигнала может увеличить эту площадь еще в два раза. Поэтому, в частности, один из датчиков ускорения компании Motorola имеет двухкристальную конструкцию [2]. На одном кристалле выполнен объемный чувствительный элемент, а на другом -- схема обработки сигнала.

1.8 Расчет собственной частоты печатной платы

Одним из основных конструктивных параметров, характеризующих печатную плату, являются резонансные частоты, под которыми подразумевают собственные частоты изгибных колебаний. Если частота колебаний возмущающей силы совпадает с резонансной частотой платы, на ней возникают резонансные перегрузки, превосходящие во много раз внешнюю силу. Это приводит к отказам электрорадиокомпонентов, установленных на платах, так как вибрационные перегрузки при резонансе могут превышать уровни, допустимые по техническим условиям (ТУ) на радиоэлементы.

При расчете печатная плата рассматривается как жесткая пластинка с определенными граничными условиями. Поскольку в реальных конструкциях печатная плата нагружена радиоэлементами, для учёта нагрузки вводится поправочный коэффициент массы элементов (если масса радиоэлементов распределена по плате приблизительно равномерно).

Произведем расчёт самой опасной с точки зрения амплитуды колебаний низшей собственной частоты печатной платы, исходя из условия закрепления платы в четырех точках.

Выражение для оценки частоты собственных колебаний печатной платы при закреплении ее в четырех точках имеет вид:

;

Где:

- цилиндрическая жесткость пластины, Н•м;

E - модуль упругости, Н/м²;

h = 1.5•10^-3 м - толщина платы;

- коэффициент Пуассона;

- плотность материала платы, кг/м³;

В нашем случае материалом платы является стеклотекстолит СФ-2-35, поэтому:

E = 2•10¹⁰ Н/м²;

= 0.15;

=1,5 кг/м³;

Тогда получим:

= 5.6 Н•м;

Далее:

- поправочный коэффициент массы элементов:

;

Где:

- масса компонентов, равномерно размещенных на плате;

- масса платы;

Для данной схемы:

;

a, b - размеры соответственно большей и меньшей стороны платы;

a = 60•10^-3 м;

b = 60•10^-3 м;

Подставив численные значения, получим:

= 0.008 кг = 8 г.

= 5г.

Тогда:

= 1.38;

Подставив численные значения, получим:

= 242 Гц;

Полученный результат позволяет сделать вывод, что конструкция ячейки полностью удовлетворяет требованиям технического задания, согласно которому диапазон воздействующих частот лежит в пределах 1 - 80 Гц, а по расчетам нижняя собственная частота платы составила 242 Гц. Это говорит о большом запасе платы по прочности при указанных воздействиях вибрации.

1.9 Оценка надежности

Ориентировочный расчет надёжности осуществляется на стадии эскизного проектирования, когда принципиальных схем узлов и блоков системы еще нет, отсутствуют полные данные о режимах работы и условиях эксплуатации системы, а состав элементов системы уже известен. Ориентировочную оценку надежности проводят с целью проверки выполнимости требований по надёжности, установленных техническим заданием, а также для сравнения показателей надёжности различных вариантов разрабатываемых ЭВС. Эта оценка учитывает влияние на надежность количества и типов применяемых компонентов.

Расчет основывается на следующих допущениях:

· отказы компонентов являются случайными и независимыми событиями;

· все компоненты одного типа имеют равную надёжность и работают в номинальном режиме;

· учитываются только компоненты, входящие в основную функциональную схему изделия;

· вероятность их безотказной работы изменяется по экспоненциальному закону;

· отказ любого компонента приводит к отказу всего изделия, т.е. все компоненты работают одновременно.

Исходными данными для расчёта являются:

· число узлов (блоков, компонентов) ЭВС - N;

· число компонентов в узлах - n_i

· интенсивность отказов компонентов -.

Формула для определения интенсивности отказов всей системы:

;

Интенсивность отказов i-го узла определится по формуле:

;

- интенсивность отказов компонентов в лабораторных условиях работы системы (Т = 20 °С, = 1).

Поправочный коэффициент всегда больше единицы. Физически он характеризует тот факт, что при эксплуатации ЭВС в реальных условиях отказов в них может быть в десятки и сотни раз больше, чем при работе в условиях лаборатории. Коэффициент учитывает воздействие на аппаратуру механических факторов (вибраций, ударных нагрузок, ускорений), -климатических (температуры, влажности и др.), - условия работы при пониженном атмосферном давлении.

В нашем случае: = 1.04 (стационарные при вибрации), = 1(влажность 60-70%, Т=20-40), = 1(высота 0-1 км).

Вероятность безотказной работы устройства определится по следующей формуле:

;

Где t - время наработки;

В нашем случае t = 10000 ч.

Среднее время безотказной работы ЭВС:

;

В табл.1.6 на основании перечня элементов (см. графическое приложение) приводятся результаты полного расчета надежности применительно к ячейке датчика ускорения, рассматриваемой в данной работе.

Получим: = 6,5 + 1.248 + 0.34 + 0.702 + 0.728 + 2 + 0.332 = 11,85

= exp(-10000·11,85) = 0,88.

T = = 84388,1 ч.

Таблица 1.6

Надежностные характеристики ячейки датчика ускорения

Название, тип элементов, Номенклатура	Число элементов, n	Интенсивность отказов лjn·10-6, ч-1	Интенсивность отказов лj·10-6, ч-1 лj= лjn· Kл	ni ·лj· •10-6, ч-1	Режим работы
					Коэфф. нагрузки Кн	Температура, оС
Конденсаторы керамические	42	2,15	0,156	6,5	0,7	40
Конденсаторы танталовые	2	0,6	0,624	1,248	1,0	40
Резисторы композиционные 0,25Вт	21	0,016	0,0166	0,34	1,0	40
ГИМС	9	0,075	0,078	0,702	0,4	60
Плата печатной схемы	1	0,7	0,728	0,728	1,0	40
Пайка автоматическим способом	1000	0,002	0,002	2	1,0	40
Соединение «под винт»	4	0,08	0,083	0,332	1,0	40

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что конструкция ячейки, материал печатной платы, технология изготовления, компонентная база полностью удовлетворяют требованиям технического задания.

1.10 Расчет активного фильтра низких частот

1. Поскольку максимальная частота среза составляет 8кГц, операционные усилители выбираем на порядок больше. Для этой цели подходят операционные усилители марки AD8021AR, верхняя граничная частота которого составляет 1,8 МГц

кГц

дБ

кГц

n - порядок фильтра

число звеньев:

Тип фильтра - Баттерворда.

коэффициенты передаточной характеристики

Отсюда добротность:

Первое звено выберем следующего вида:

нФ

кОм

так как считаем, что Ко=1.



Второе звено выберем вида:

нФ

нФ

кОм

кОм

2. Поскольку максимальная частота среза составляет 500 Гц, операционные усилители выбираем на порядок больше. Для этой цели подходят операционные усилители марки AD8021AR, верхняя граничная частота которого составляет 1,8 МГц

Гц

дБ

кГц

Число звеньев: N=2

Типы звеньев, значения остаются прежними.

I Звено:

нФ

кОм

II Звено:

нФ

нФ

кОм

кОм

Вывод: Спроектированный фильтр полностью отвечает поставленным перед ним требованиям.

Расчет пассивного фильтра

1. кГц

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

;

;

;

;

;

Если принять R = 15кОм, то С = 1нФ;

2. .

Аналогично: .

Если принять R = 15кОм, то С = 17,7нФ.

Выводы

В рамках конструкторского раздела были поставлены следующие задачи:

- провести анализ технического задания на разработку конструкции ячейки;

- выбрать материал печатной платы и тип ее конструкции;

- оценить надежность ячейки датчика ускорения;

- оценить собственную частоту ПП;

- разработать чертеж ПП, сборочный чертеж ячейки датчика ускорения (приложения).

В процессе написания диплом были решены поставленные задачи:

- Была рассмотрена конструкция ячейки датчика ускорения;

- Была подобрана компонентная база и разработан трассировочный чертеж с помощью программного обеспечения P-CAD, с учетом правил проектирования ПП (плата ячейки датчика ускорения сделана из стеклотекстолита фольгированного СФ2-35 ГОСТ 10316-78);

- Был проведены расчеты по ориентировочной надежности, активного фильтра низких частот и расчет собственной частоты печатной платы;

- Был разработан чертеж печатной платы, сборочный чертеж ячейки датчика ускорения.

Раздел 2

2.1 Анализ результатов информационного поиска по проблемам сборки плотно скомпонованных ячеек

Целью процесса сборки является получение надежных механических соединений между конструктивами ЭУ (электронного устройства). В сущности, процесс сборки основных функциональных узлов ЭВС включает установку компонентов на КП (коммутационную плату) и их фиксацию. В технике поверхностного монтажа (ТПМ) ручная сборка нерациональна и затруднительна вследствие малых размеров отдельных ПМК, высоких требований по точности и скорости позиционирования, поэтому только автоматизированная сборка удовлетворяет этим требованиям. В настоящее время используются сборочные автоматы, различаемые по различным критериям. Современные сборочные автоматы включают следующие типовые блоки: питатель (магазин или накопитель компонентов); сборочную головку; устройство позиционирования; оптическую систему контроля ориентации, а также точности размещения компонентов и обнаружения пропущенных компонентов; систему контроля электрических параметров компонентов; устройство дозированного нанесения клея; двухкоординатный столик; систему управления сборкой на основе микропроцессора или микро-ЭВМ.

Основные сборочные операции, выполняемые с помощью одноголовочного сборочного аппарата:

- идентификация компонента;

- контрольные процедуры перед началом сборки;

- управление дозатором подачи клеевых капель;

- ориентация компонента по осям Х и Y;

- вращательное перемещение компонента;

- размещение компонента в рабочей позиции;

- корректировка погрешности позиционирования.

Но в условиях многономенклатурного мелкосерийного производства, каким и является изготовление рассматриваемого устройства, целесообразно применять гибко автоматизированные сборочные многозахватные автоматы с универсальной башенной головкой при возможности замены головок [10].

На рис.2.1 показана монтажная головка башенного типа, использующаяся во многих моделях оборудования для сборки.

Рис.2.1. Монтажная головка башенного типа: 1-захват компонента; 2-контроль компонента; 3-удаление неисправного компонента; 4-ориентировка компонента; 5-блок рабочих головок; 6-позиционирование компонента; 7-лента-носитель компонентов; 8-вакуумный присос в нерабочем положении; 9-вакуумный присос в рабочем положении; 10-чип-компонент; 11-коммутационная плата; 12-направление вращения башенной головки.

Выбор сборочного оборудования осуществляется с учетом следующих критериев:

- объем выпуска смонтированных ЭУ в месяц;

- размер используемых КП и число плат различных размеров;

- число навесных компонентов, размещаемых на одной КП и их номенклатура;

- специальные требования, относящиеся к конкретному виду оборудования (точность автоматического размещения компонентов, вид упаковки и др.).

На рис.2.2 показан одноголовочный сборочный автомат, управляемый ЭВМ, и основные сборочные операции, выполняемые им.

Рис.2.2 Основные фрагменты процесса автоматизированной сборки ПМК на КП и роль компьютерного управления сборочным автоматом: 1-управляющая ЭВМ; 2-визуализация позиционирования компонента; 3-рабочая головка; 4-навесной компонент; 5-блистерная лента на барабане, подающая компоненты; 6-КП; 7-идентификация компонента; 8-контрольные процедуры перед началом сборки; 9-управление дозатором подачи клеевых капель (при необходимости); 10-ориентация компонента по осям x и у; 11-вращательное перемещение компонента; 12-размещение компонента в рабочей позиции (на знакоместе); 13-корректировка погрешности позиционирования.

2.2 Варианты сборки и монтажа ячеек ЭУ

Для правильного выбора разновидности и последовательности сборочно-монтажных операций в производстве ячеек ЭУ важно знать конструкторско-технологические варианты их реализации. В зависимости от типов компонентов, места их размещения на плате, использования одной или двух сторон платы конструкторско-технологические варианты упрощенно можно разделить на 4 разновидности. В настоящее время изготовление ячеек ЭВС немыслимо без применения техники поверхностного монтажа (ТПМ) компонентов, которая способствует дальнейшей миниатюризации ЭУ при увеличении их функциональных возможностей, улучшении функциональных параметров и повышении эксплутационной надежности готовых изделий. Эти преимущества ТПМ обеспечиваются за счет:

применения ПМК в микрокорпусах и типа чип-конструкций (с шагом выводов 1,25 мм и менее); кристаллодержателей СБИС (УБИС) с ленточными выводами либо выводными площадками, в том числе матричными (с шагом 0,6 мм и менее);

использования коммутационных плат (КП), преимущественно многослойных, с шириной проводящих дорожек и расстояниями между ними 0,2 мм и менее;

самых перспективных технологий сборки и монтажа, реализуемых с помощью гибко-автоматизированных технологических модулей (или линий) со встроенными средствами контроля и работающих по программе.

По мере освоения и внедрения техники поверхностного монтажа (ТПМ) в производство ЭВС при изготовлении ячеек наметились три варианта реализации их сборки и монтажа с применением ТПМ (варианты I - III, рис.2.4) и только один вариант иногда используется без применения ТПМ (вариант IV, рис.2.4):

первый (I) - чисто поверхностный, когда поверхностно-монтируемые компоненты (ПМК) устанавливаются и монтируются с одной или с двух сторон КП (см. рис.2.4, вариант 1,а и б);

второй (II) - смешанно-разнесенный, когда с одной стороны платы устанавливаются и монтируются только простейшие ПМК, а с другой - только традиционно-монтируемые компоненты (ТМК), т.е. те, которые предназначены для сборки и монтажа в сквозных отверстиях КП (см. рис.2.4, вариант II);

третий (III) - полностью смешанный, когда сборка и монтаж ПМК и ТМК (без ограничения, либо с ограничением по сложности конструкции) осуществляются с одной либо с двух сторон платы (см. рис.2.4, вариант III). Он имеет наибольшее количество разновидностей реализации (см. рис.2.4, вариант III, а - г), зависящих в основном от степени сложности конструкций ПМК, количества монтажных поверхностей, разнообразия методов и средств реализации сборки и монтажа. На рис.2.4 представлен общий алгоритм реализации всех трех вариантов сборки и монтажа ЭУ с применением ТПМ (в том числе с учетом их разновидностей);

четвертый (IV) - чисто традиционный, когда ТМК (без ограничения по сложности) устанавливаются и монтируются с одной стороны платы, либо, что крайне редко, с двух сторон ПП, причем с обратной стороны устанавливают только единичный ТМК (см. рис.2.3, а, б), но в любом случае вариант IV неэффективен и, следовательно, неперспективен. Это связано не только с потребностью в монтажных отверстиях (при этом существенно возрастают массогабаритные показатели и ограничиваются функциональные возможности ЭУ), но и с потенциально большими затратами на сборочно-монтажные операции, т.к. стоимость автоматов для их выполнения существенно превышает затраты на автоматизацию данных операций в ТПМ. Поэтому целесообразность выбора варианта IV может быть в некоторых случаях оправданна дефицитностью ПМК, либо потребностями макетирования ЭУ.

Современные ячейки содержат, как правило, более 50% ПМК, ТМК составляют обычно до 10% конструкции узла [9].



Рис.2.3. Варианты сборки и монтажа ячеек ЭУ; I - сборка и монтаж любого набора компонентов только на поверхность платы на одной ее стороне (а) и с двух сторон (б); II - смешанно-разнесенные сборка и монтаж, т.е. ТМК с лицевой стороны платы, а простейшие ПМК - с обратной стороны платы; III - полностью смешанные сборка и монтаж, т.е. ТМК и ПМК - с лицевой стороны платы (а), ТМК и ПМК - с лицевой стороны платы и только простейшие ПМК - с обратной стороны платы (б), любой набор ПМК - с двух сторон платы и ТМК с одной стороны платы (в); любой набор ПМК и ТМК с двух сторон платы (в том числе и специальных компонентов) (г); IV - традиционные сборка и монтаж, т.е. все ТМК - с одной стороны платы (а) и большая часть ТМК с лицевой стороны, а единичные ТМК с обратной стороны платы (б).

В ячейке датчика ускорения ПМК без ограничений по сложности монтируются с двух сторон платы, а ТМК с одной стороны платы. Таким образом, сборка и монтаж будут осуществляться по варианту IIIв (см. рис. 2.4).



Рис.2.4. Вариант сборки и монтажа ячейки датчика ускорения: 1 - емкостный акселерометр; 2 - конденсатор танталовый; 3 - интегральная микросхема в корпусе SOIC; 4 - печатная плата; 5 - чип-конденсатор; 6 - чип-резистор.

Сборка и монтаж компонентов ячейки акселерометра будет осуществляться на двухслойную ПП. Материал платы - стеклотекстолит марки СФ-2-35.

2.3 Общая характеристика вариантов сборки и монтажа

Вариант I

Достоинства:

1. характеризуется максимальной плотностью компоновки и степенью миниатюризации (особенно двухсторонний поверхностный монтаж (ПМ));

2. самый высокий уровень автоматизации высокоточной сборки при высокой воспроизводимости и малом разбросе электрофизических параметров ЭУ;

3. одноступенчатый, автоматизированный, групповой процесс пайки;

4. повышенная эксплуатационная надежность и улучшенные выходные характеристики;

5. низкие затраты на изготовление и высокий выход годных ЭУ (следовательно, низкой себестоимостью изделий);

6. требует наименьшего времени выполнения всех технологических этапов в сравнении с другими вариантами за счет преимущественного использования групповых автоматизированных процессов и средств их осуществления;

7. не требует ограничения по сложности конструкций ПМК, что существенно расширяет сферу применения ЭУ, изготовленных по данной технологии.

Недостатки:

1. необходимы не малые первоначальные затраты (особенно на технологическое оборудование);

2. требует решения проблем согласования по ТКЛР материалов КП и компонентов, а иногда и теплоотвода, дефицита отдельных ПМК;

3. требует переквалификации специалистов.

Вариант II

Достоинства:

1. отличается некоторым выигрышем по плотности монтажа в сравнении с ТМ;

2. уменьшение объема ЭУ на 10 - 30% (по сравнению с ТМ);

3. одноступенчатый автоматизированный, групповой процесс пайки, пригодный для ТМ и ПМ, что упрощает выбор технологического оборудования и снижает затраты на его приобретение;

4. предусматривает наименьшее число технологических операций в сравнении с другими вариантами.

Недостатки:

1. ограничения по степени сложности конструкций ПМК;

2. ограничения по их нагревостойкости;

3. ограничения по уровню дефектности паяных соединений после пайки волной (так как волна припоя не обеспечивает его точного дозирования), а качество паек при этом во многом зависит от количества, шага и формы выводов ПМК, точности размеров клеевых соединений, плотности размещения и высоты посадки ПМК на КП, от расположения выводов (по одной, двум или четырем сторонам корпуса ПМК и др.);

4. повышенные требования к адгезивам.

Рекомендуемыми типами ПМК (выдерживающих температуру волны расплавленного припоя) являются чип-конструкции с типоразмерами не менее 0805; SOT, SOD; SOIC с L-образными выводами (для ИС в количестве не более 14), а в исключительных случаях - кристаллодержатели с L-образными (либо планарными) выводами и ограниченным до 16 количеством выводов.

Вариант III

Достоинства:

1. большой выбор ПМК и ТМК, в том числе с учётом оптимизации выбора по их стоимости, сложности конструкции, выходным функциональным параметрам, массогабаритным показателям, температурной совместимости с материалами КП, минимальному количеству сборочных автоматов и другим критериям;

2. большая точность монтажа, чем при реализации варианта II;

3. уменьшение объема ЭУ на 20 - 60% по сравнению с ТМ;

4. возможность использования, наряду с новыми, традиционных средств для сборки и монтажа;

5. возможность изготовления уникальных ЭУ.

Недостатки:

1. в отдельных разновидностях его реализации (IIIв,г)невозможно без применения ручных процессов сборки и монтажа ТМК;

2. требует дополнительных средств реализации сборочных и монтажных операций (при этом увеличивается парк технологического оборудования и количество разнообразной оснастки);

3. требует многоступенчатого процесса пайки;

4. затрудняет выполнение операций контроля, испытаний и устранения дефектов сборки и монтажа смонтированных ЭУ;

5. является сложным и дорогим при реализации [2].

Вариант IV

Данный вариант (чисто традиционный) является неэффективным и, следовательно, неперспективным. Это связано не только с потребностью в монтажных отверстиях (при этом существенно возрастают массогабаритные показатели и ограничиваются функциональные возможности ЭУ), но и с потенциально большими затратами на сборочно - монтажные операции, т.к. стоимость автоматов для их выполнения существенно превышает затраты на автоматизацию данных операций в ТПМ. Поэтому целесообразность выбора варианта VI может быть в некоторых случаях оправданна дефицитностью ПМК, либо потребностями макетирования ЭУ[11].

2.4 Способы сборки и монтажа плотно скомпонованных ЭУ

Целью процесса сборки является создание прочных, надежных механических соединений для закрепления компонентов на плате при последующем монтаже. По сути, процесс сборки заключается в установке компонентов и последующей фиксации, которая чаще всего осуществляется посредством различных клеевых соединений, либо пайкой эвтектикой для БИС, СБИС, ПМК чип-компонентов.

2.4.1 Фиксация с помощью эвтектики

Присоединения эвтектикой [18] кристалл металлургически прикрепляется к материалу подложки (рис.2.5) (обычно металлической выводной рамке, изготовленной из Си или сплава Fe--Ni, либо керамической подложке, состоящей из 90--99,5% Al₂O₃). Для обеспечения смачиваемости обратной поверхности кристалла расплавом материала таблетки, которая представляет собой тонкую пластину (обычно толщиной <0,05 мм) из соответствующего припоя, на обратной стороне кристалла часто создают слой металлизации. Материал подложки обычно металлизируют слоем Ag (выводная рамка) или Аu (выводная рамка или керамическая подложка).



Рис.2.5. Структура кремниевого кристалла, соединенного металлическим припоем с подложкой

2.4.2 Фиксация с помощью клеев

Что касается клеевых соединений, то значительный интерес представляет эпоксидный клей с серебряным наполнителем, хотя растет интерес и к полиимидным клеям из-за их способности противостоять более высоким рабочим температурам по сравнению с эпоксидными клеями. Серебряный наполнитель делает эти материалы как электропроводными для обеспечения низкого сопротивления между кристаллом и подложкой, так и теплопроводными, в результате чего существует хороший теплоотвод от кристалла к основанию корпуса.

Для соединения кристалла используют эпоксидные клеи, так как по сравнению с твердыми припоями с высоким содержанием золота они имеют меньший термический коэффициент линейного расширения, являются гибкими и мягкими и позволяют автоматизировать процесс соединения. Например, при производстве пластмассовых плоских корпусов с двухрядным расположением вертикальных выводов эпоксидный клей может быть быстро нанесен на поверхность кристалла, а кристалл помещен в корпус с помощью высокоскоростной установки сборки без отмывки. Тем не менее, при монтаже кристалла эпоксидными клеями необходимо проведение металлизации кристалла и подложки. Поскольку эпоксидные клеи являются термореактивными материалами (полимеризуются при нагревании), они должны быть подвергнуты термообработке при определенной температуре для завершения процесса монтажа кристалла. Обычная температура термообработки лежит в диапазоне 125--175 °С.

Вообще качество соединения кристалла эпоксидными клеями такое же или даже выше, чем при соединении металлическими припоями, за исключением применения в особо жестких режимах функционирования (при высоких температурах, большом токе через соединение кристалла или при предъявлении повышенных требований к тепловым характеристикам) либо в приборах с очень высокой поверхностной чувствительностью.

2.4.3 Ультразвуковая сварка

Физические основы и кинетика процесса образования неразъемных микросварных соединений алюминиевой проволоки с алюминиевой контактной площадкой на оксидном слое кремниевой подложки в производстве полупроводниковых приборов изучены достаточно полно. Большинство исследований показывает, что прочность и надежность соединения Al-Al характеризуются высокими показателями вследствие отсутствия гетерогенных диффузионных процессов и при сварке, и при последующем температурном старении. Так, при ускоренных испытаниях (выдержка при 300 С в течение 150 ч) целостность сварных соединений Al-Al на SiO₂ сохраняется, а при отрыве проволоки происходит разрыв в месте перехода вывода в сварное соединение. Металлографический анализ косых микрошлифов показал, что зона взаимодействия Al-Al имеет металлический блеск и незначительные включения окислов алюминия.

Однако при чрезмерной деформации выводов (более 60%) и непараллельности поверхности кристалла относительно торца инструмента имеет место (до 4%) предельно низкое усилие на отрыв, составляющее 1,6•10^-2 Н.

Опыт производственной эксплуатации первых образцов автоматизированного микросварочного оборудования показал, что применение микропроволоки с большим разбросом по сечению приводит к нестабильности прочности контактов. Изменение сечения проволоки в процессе микросварки при заданных технологических режимах влияет на прочность соединений потому, что удельное давление на свариваемые элементы изменяется вследствие изменения степени деформации. При заданных режимах сварки существует определенный предел деформации проволоки, когда удельное давление становится равным удельному сопротивлению пластической деформации.

Использование вместо проволоки ленточных выводов в конструкции ПН СБИС позволяет во многом избежать проблем, связанных с разнотолщинностью проволоки (30 мкм), так как ширина ленточного вывода (фольги) составляет 100-200 мкм и фактор разнотолщинности заметно сглаживается. Кроме того, ленточный вывод ПН поступает на монтажный стол в готовом виде и не подвергается внешним воздействиям протяжных механизмов, как в случае подачи проволоки.

В настоящее время алюминиевые сплавы характеризуются хорошей технологичностью, при обработке давлением легко прокатываются в виде фольги толщиной 20-30 мкм. Прочность соединения, полученного ультразвуковой микросваркой, во многом определяется химическим составом алюминиевой фольги. При этом изменяются и механические свойства самой фольги. С учетом прочностных и экономических параметров, простоты освоения в промышленности, наибольшее распространение получила фольга А5Т, которая в композиции с полиимидным покрытием серийно поставляется в виде материала ФДИ-АП1-50.

В условиях формирования микросварного соединения плоского вывода ПН с алюминиевой контактной площадкой кристалла СБИС важно, чтобы толщина слоя металлизации на кристалле была не менее 0,9 мкм. В противном случае прочность получаемого соединения может существенно уменьшиться.

Введенные в отраслевые стандарты конструкторско-технологические требования к гибким носителям (ОСТ 11 073.920) и к монтажным зонам на кристаллах (ОСТ 11 0305) основаны на обеспечении прочности сварных соединений и качества получаемых изделий при реальных современных достижениях автоматизированного сборочного оборудования, оснащенного техническим зрением.

При выборе оптимальных режимов получения качественного соединения алюминиевых выводов гибкого носителя с контактными площадками кристалла в процессе ультразвуковой сварки большое значение имеют исследования кинетики формирования соединения. Для соединения проволочных выводов с контактными площадками на кремниевой подложке это вопрос изучен достаточно полно. В то же время, при соединении ленточных выводов с аналогичными подложками, кинетику формирования соединения, в основном, следует считать идентичной за исключением некоторых допущений, связанных с геометрией привариваемого вывода и профилем торца инструмента. Кинетика формирования соединения в реальном масштабе времени изучалась с помощью регистрации осциллограмм изменения температуры в зоне сварки, контактного электросопротивления на границе сварочный инструмент-проводник или проводник-кристалл, записи акустической эмиссии (рис.2.9 и 2.10).

Рис.2.9. Характер изменения прочности Р и электросопротивления контакта R_к, отношения площади сварного соединения S_св к общей площади контакта S_к от времени t_св УЗС для контактных пар Al-Al на кремниевой подложке

Значительный интерес представляют исследования зависимости прочности микросварного соединения от времени с одновременным изменением деформации выводов. Исследовалась ультразвуковая сварка алюминиевого ленточного вывода сечением 242 х 18 (мкм х мкм) с алюминиевой пленкой, нанесенной на SiO₂. Деформацию измеряли по изменению ширины ленточного вывода в зоне сварки через определенные промежутки времени, а затем рассчитывали скорость деформации. Максимальная скорость деформации соответствует максимальной прочности сварного соединения, при этом площадь активной зоны достигает наибольших размеров.

Рис. 2.10. Характер изменения температуры Т и амплитуды колебаний л от времени t_св УЗС для различных свариваемых контактных пар на кремниевой подложке.