ПРИМЕНЕНИЕ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ ПО МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ. Применение экспертных систем при проектировании печатных плат
 Скачать 457.74 Kb.
|
|
УДК 621.396 ПРИМЕНЕНИЕ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ ПО МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ С.Ю. Белецкая, П.В. Иевлев, А.В. Турецкий В статье рассмотрен способ комплексного анализа механических характеристик печатных плат в составе радио- электронных модулей, который учитывает механическую прочность проводников и переходных отверстий с примене- нием экспертной системы. Предельные значения выдерживаемых вибраций, ударов и статических нагрузок получа- ются на основе испытаний печатных плат с различным количеством слоев Ключевые слова: тестирование, надежность, печатная плата, электронные средства, экспертная система При разработке различной аппаратуры для сокращения сроков и уменьшения стоимости проектирования все чаще применяются автома- тизированные системы принятия решений или экспертные системы (ЭС) [1]. Экспертные си- стемы вбирают в себя знания ведущих специа- листов в области проектирования и позволяют менее квалифицированным инженерам в режи- ме консультации выбрать необходимый путь проектирования. Конечно, ЭС полностью не могут заменить реального специалиста- эксперта, так как человек обладает способно- стью генерировать новые знания и решать не- стандартные новые задачи. Однако при реше- нии большого количества типовых задач рядо- выми инженерами она дает существенный вы- игрыш по времени, так как специалистов экс- пертов часто на предприятии мало, и они не могут охватить все проекты. Для проектирова- ния электронных средств с учетом механиче- ских воздействий при выборе путей техниче- ских решений необходимо применение ЭС. 1 Одним из основных несущих конструкций модулей радиоэлектронного средства является печатная плата, обеспечивающая механическое и электрическое соединение электронных ком- понентов. В современных устройствах платы, как правило, многослойные. Многослойная пе- чатная плата представляет собой довольно сложную конструкцию, состоящую из большо- го числа отдельных элементов, соединенных между собой, содержащие также встроенные резисторы и конденсаторы [2]. Часто это высо- котехнологичное изделие, позволяющее обес- печить высокую плотность упаковки компо- нентов. В связи с постоянной тенденцией к Белецкая Светлана Юрьевна - ВГТУ, д-р техн. наук, про- фессор, тел. (473) 243-77-04, e-mail: kipr@vorstu.ru Иевлев Павел Валерьевич - ВГТУ, студент, тел. (473) 243- 77-06, e-mail: kipr@vorstu.ru Турецкий Андрей Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 243-77-06, e-mail: tav7@mail.ru уменьшению габаритов уменьшается также ширина проводников и диаметры переходных отверстий. Меньше также толщина фольги, по сравнению с традиционными односторонними и двухсторонними платами. Все это позволяет значительно сократить размеры печатного узла. Однако такие платы также обладают и недо- статками, одними из которых являются низкая ремонтопригодность и большая подвержен- ность механическим нагрузкам. Так как внутри платы существует множество металлизирован- ных отверстий, соединенных между собой, то при механических деформациях или темпера- турных воздействиях выход какого либо из них из строя (потеря контакта) приводит к потере работоспособности всей платы а, следователь- но, и устройства. При создании радиоэлектронного устрой- ства опытный образец на конечных этапах про- ектирования обязательно подвергают широко- масштабным испытаниям на климатические и механические воздействия. Выявленные недо- статки устраняют, что требует иногда серьез- ной переработки конструкции. Целесообразнее заранее, на этапе проектирования методами компьютерного моделирования осуществлять анализ печатных плат на механические воздей- ствия. Тогда количество доработок можно су- щественно уменьшить. Одной из наиболее распространенных САПР высокого уровня, используемых в ра- диоэлектронной промышленности является Сreo Parametric (ранее Pro/Engineer). К сожалению, система Сreo Parametric не позволяет моделировать механические харак- теристики таких сложных узлов как много- слойные печатные платы, в то время как гово- рилось ранее они определяют во многом надежность всего устройства. В данной работе предлагается алгоритм комплексного анализа механических характе- ристик печатных плат в составе радиоэлек- тронных модулей (рисунок), учитывающей предельные значения вибраций, ударов, стати- ческих нагрузок печатных плат с различными количествами слоев. Подобный подход приме- нялся в [3-6], однако применительно к радио- электронным модулям. В данном алгоритме предполагается использовать лабораторное те- стирование образцов печатных плат с различ- ным количеством слоев по методике IPC-TM- 650 [7], предусматривающей контроль разме- ров, а также комплекс из механических, элек- трических испытаний. Кроме того, для ускоре- ния испытаний может применяться термоцик- лирование по методике, представленной в [8]. Алгоритм комплексного анализа механических характеристик печатных плат в составе радиоэлектронных модулей Первый блок представляет собой поста- новку задачи, в которую входит выбор ком- плекса механических воздействий и их пара- метров, которые будут присутствовать в опре- деленных режимах эксплуатации изделия. Эти данные должны быть известны еще до начала конструирования, в соответствии с техниче- ским заданием. Сбор необходимой информации (блок №3) включает в себя данные о самом радиоэлек- тронном модуле, его размеры, элементная база, материалы и их характеристики, а так же опре- деление наиболее уязвимых мест с точки зре- ния конструкции. Необходимо иметь данные о вибрационных и ударных характеристиках ра- диокомпонентов и других приборов. При этом формируется и постоянно обновляется база данных (блок №2), включающая в себя механи- ческие и тепловые свойства материалов кон- струкций радиоэлектронных модулей (РМ) и печатных плат (ПП), физико-химические свой- ства материалов, участвующих в производ- ственно-технологическом процессе, графиче- ское представление, связывающее количество циклов нагрузки до разрушения с приложен- ным напряжением пластической деформации, как при пластическом, так и при упругом пове- дении материала. Блок № 4 представляет собой выбор пред- варительного анализа характеристик РМ, ана- литический или предварительный анализ ин- струментами метода конечных элементов (МКЭ). Выбор сводится к возможности приме- нить математические модели, описывающие типовые способы крепления типа жесткого за- щемления, свободного опирания или незакреп- ленного края пластины или конца балки. В слу- чае невозможности применения таких моделей предварительный анализ, как и подробный, сводится к использованию программных ин- струментов, основанных на методах конечных элементов. Аналитическое решение (блок № 5) по- ставленной задачи сводится к определению собственных частот колебаний (СЧК) радио- электронного модуля, максимальные отклоне- ния от положения равновесия, влияние удара. После проведения аналитического расчета механических характеристик конструктор дол- жен решить достаточно ли полученных данных для последующих действий. В случае, когда данных недостаточно или когда особенности конструкции изделия не позволяют применить аналитические методы анализа, применяются современные инстру- менты инженерного анализа на основе МКЭ (блок № 11). Для примера применена система Сreo Parametric, позволяющая проводить прак- тически все типы моделирования механических нагрузок (вибрационный, статический, ударный и пр.). Типы проводимого моделирования фор- мируются на основании блока № 28. Получен- ные результаты представляются в виде диа- грамм и графиков и подлежат анализу в блоке № 12. По методике, регламентируемой стандар- том IPC-ТМ-650 [4] предполагается проводить автоматизированный анализ прочности печат- ных плат (блок № 9). Результаты, полученные при испытаниях, статистически обрабатывают- ся (блок № 10) и поступают в соответствую- щую базу данных (блок № 13). При этом на предприятии будет существовать и регулярно пополняться база данных, содержащая пре- дельные значения вибраций, ударов и статиче- ских напряжений печатных плат с разным ко- личеством слоев, разного класса точности и технологии изготовления. Эти данные поступают в блок № 14 и на основании их анализируются результаты моде- лирования с применением метода конечных элементов. После моделирования возможно примене- ние экспертной системы для анализа результа- тов (блок №16), при этом используется база знаний 17, которая может непрерывно попол- няться, давая более приемлемые способы ре- шения задачи. Если в нагруженной зоне полученные зна- чения напряжений, перемещений и пр. лежат за пределами прочности компонентов, то прини- мается решение об оптимизации ПП (цикл бло- ков №26). В ходе оптимизации может быть принято решение об изменении конструкции (блок № 27), применению других материалов (блок № 28), изменению топологии (блок № 29) или применению иной технологии при произ- водстве радиоэлектронного модуля (блок № 30). Затем следует тот же цикл моделирования методами МКЭ с проверкой результатов. Если же на этапе проверки соответствия результатов моделирования требуемым значе- ниям (блок № 18) не выявляется критических отклонений, дается допуск на получение опыт- ного образца изделия (блок № 19) с обязатель- ными испытаниями на лабораторных установ- ках (блок № 21) с утвержденными программа- ми испытаний в соответствии условиями экс- плуатации модуля (блок № 20). Если на этапе проверки прохождения ла- бораторных испытаний в конструкции обнару- жатся несоответствия характеристик требова- ниям заказчика, принимается решение об оп- тимизации печатной платы (повторяется цикл блоков 27-30) с созданием модернизированного опытного образца. В случае положительного решения о ре- зультатах лабораторных испытаний проводится цикл испытаний в условиях эксплуатации (блок № 23) и сдача изделия (блок № 25). Предложенная методика может значитель- но ускорить процесс доработки разрабатывае- мых изделий. Так во первых, благодаря си- стемному применению САПР, использующих МКЭ для моделирования механических воздей- ствий, а во вторых, наличию постоянно попол- няемой базы данных по механическим характе- ристикам различных конструкций печатных плат. Литература 1. Уотерман Д. Построение экспертных систем под ред. Ф. Хейес-Рот; Д. Уотерман, Д. Ленат; М.: Мир, 1987. -441 с. 2. Муратов А.В., Донец С.А., Жукова Н.Ю. Проектирование и технология многослойных печатных плат со встроенными конденсаторами // Проектирование и технология электронных средств 2006. Т. 4. С. 20-25. 3. И.А. Лозовой, А.В. Турецкий Методика анализа радиоэлектронных модулей на механическую прочность. // Радиотехника 2013 №3, С. 85-88. 4. И.А. Лозовой, А.В. Турецкий Подсистема испытания паяных соединений электронных компонентов на механические воздействия // Радиотехника 2012. №8 С. 80-84. 5. И.А. Лозовой, А.В. Турецкий, В.А. Шуваев Методы испытания паяных соединений поверхностно монтируемых компонентов на механические воздействия // Радиотехника 2012. № 8 С. 76-80. 6. Процедуры инженерного анализа механиче- ских воздействий на РЭС в системе PRO/ENGINEER [Текст] / И. А. Лозовой, С. Ю. Сизов, А. В. Турецкий, В. А. Шуваев //Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - № 5. - С. 26-27. 7. IPC-TM-650 Test Methods Manual. 8. Князев А., Борисенков С. Испытания надежности печатных плат при помощи термоциклирова- ния и термоудара. Технологии в электронной промыш- ленности, № 1, 2008 С. 21-24. Воронежский государственный технический университет USE OF EXPERT SYSTEMS AT DESIGN OF PCB TAKING INTO ACCOUNT REQUIREMENTS FOR MECHANICAL DURABILITY S.Ju. Beletskaja, P.V. Ievlev, А.V. Turetsky In article the way of the complex analysis of mechanical characteristics of PCB as a part of radio-electronic modules which considers the mechanical durability of conductors and transitional openings with use of expert system is considered. Limit values of maintained vibrations, blows and static loadings turn out on the basis of tests of PCB with various quantity of layers Key words: testing, reliability, printed-circuit board, electronic means, expert system |