РПЗ_ХомушкуОВ_ПР_РПЗ. Промышленный контроллер систем и электрических
 Скачать 3.67 Mb.
|
|
4.1. Преимущество выбора SMD-компонентов При выборе электрорадиэлементов для размещения на печатную плату будем исходить из ряда преимуществ поверхностно-монтируемых компонентов. Основным отличием технологии монтажа на поверхность от «традиционной» технологии — сквозного монтажа в отверстия — является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы только со стороны токопроводящих дорожек и для этого не требуются отверстия. Преимущества ТМП проявляются благодаря комплексу особенностей элементной базы, методов конструирования и технологических приёмов изготовления печатных узлов. Преимущества SMD-фиксации компонентов: - меньшие размеры платы за счет использования обеих ее сторон; - простота в обработке пластин (отсутствие необходимости сверлить, металлизировать отверстия); - меньшие габариты и вес компонентов, их выводов; - удобство и надежность фиксации элементов; - компактность готового изделия; - возможность групповой пайки в печи всех микросхем одновременно; - отсутствие необходимости в постмонтажной обработке плат. Недостатки SMD-фиксации компонентов: - потребность в функциональном монтажно-паяльном оборудовании и высококвалифицированных инженерах; - необходимость точного учета электро-термических характеристик элементов (во избежание перегрева при пайке); - потребность в использовании компонентов исключительно высокого качества. 54 При таком методе крепления микросхем преимущественно применяется специальное полуавтоматическое оборудование. Это и станки для нанесения паяльной пасты, и машины, обеспечивающие захват, установку компонентов под управлением опытных инженеров. Такой способ монтажа плат лучше поддается автоматизации, что повышает его актуальность при серийном производстве. Естественно, что при невероятно малых размерах, которые имеют SMD- элементы, готовые печатные платы очень компактны, из чего можно сделать вывод, что готовый прибор на основе такой платформы будет очень небольшого размера. При печати требуется меньшее количество стеклотекстолита и хлорного железа, что существенно повышает экономию. К тому же времени на изготовление требуется значительно меньше, т. к. не нужно высверливать отверстия под ножки различных элементов. По этой же причине такие платы легче поддаются ремонту, замене радиодеталей. Намного более низкая цена SMD-компонентов. Недостатки: Платформы на SMD-компонентах не переносят перегибов и даже небольших механических воздействий (таких, как удары). От них, как и при перегреве в процессе пайки, могут образоваться микротрещины на резисторах и конденсаторах. Сразу такие проблемы не дают о себе знать, а проявляются уже в процессе работы. Производство печатных плат методом поверхностного монтажа имеет ряд преимуществ: Отсутствие привычных выводов от радиоэлементов существенно уменьшает их размеры и массу, Значительно увеличивается плотность компоновки за счет маленьких размеров электронных элементов, Существенно улучшаются электрические параметры, снижается индуктивность за счет хорошей компоновки, 55 Облегчается ремонт плат, так как проще очищать от флюса контактные площадки, Появляется возможность изготавливать двухсторонние платы, Процесс легко поддается автоматизации, Значительно снижается себестоимость изделий при серийном производстве. Но поверхностный монтаж печатных плат также имеет следующие недостатки: При проектировании необходимо правильно учитывать теплоемкость и теплопроводность каждого элемента, Различными положениями компонентов выбирать правильный рациональный нагрев отдельных участков платы, Неправильная компоновка может привести к ее перегреву и короблению поверхности, Необходимо четко подбирать температуру пайки, так как во время групповой пайки греются различные радиоэлементы, На стадии разработки имеются повышенные затраты, потому что необходимо изготавливать опытные образцы. 56 Таблица 2 - Перечень поверхностно-монтируемых компонентов. Н аи м ен ов ан ие Э Р И К ол ич ес тв о, ш т. Конструктивные параметры A – ш ир ин а то чк и ко нт ак та , м м B – д ли на т оч ки ко нт ак та , м м С – р ас ст оя ни е м еж ду т оч ка м и ко нт ак та К ол ич ес тв о вы во до в Конденсатор типоразмера 1206 7 0,2 0,5 0,6 2 Резистор типоразмера 0805 30 0,825 1,35 1,15 2 Шунтирующ ий резистор 2 3,05 1,14 3 2 Диод 1 0,5 0,25 2,55 2 Биполярный транзистор BFS20 6 0,88 0,85 1,9 3 Биполярный транзистор MMBT 5401 3 0,8 0,9 1,83 3 Биполярный транзистор SLS2303 3 0,8 0,9 2 3 Полевой транзистор AOD514 8 0,8 0,9 2 3 Микросхема балансировки HY2213 3 0,4 0,45 0,95 6 Микросхема 3 0,4 0,45 0,95 6 57 зашиты HY2110-CB Расчет площади печатной платы Примерный расчёт площади печатной платы контроллера состояний аккумуляторных батарей осуществляется по формуле (1): S ∑ пп = K S ∑ i=1 n S yi + S в ,(1) где S yi – установочная площадь i-го радиоэлемента или поверхностно- монтируемого компонента; K S – коэффициент дезинтеграции, который учитывает расположение на плате печатных проводников и других вспомогательных элементов (принимаем равным 2); n – количество радиоэлементов и поверхностно-монтируемого компонентов; S в – площадь вспомогательных элементов (в данном случае – места под разъёмы и отверстий для закрепления платы). Вычислим площадь печатной платы контроллера состояний: S ∑ пп = 2 ∙800+ 1400=3000 мм 2 Принимая во внимание требования ГОСТ 10317-79 «Платы печатные. Основные размеры», устанавливаем габаритные размеры печатной платы - 50 ×60 мм [8]. Модель печатной платы с разводкой Была разработана модель печатной платы в комплексной системе автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств AltiumDesigner 16. Модель платы представлена на рисунке 24. 58 Рисунок 24 - Модель платы в САПР. 59 Рисунок 25 - Топология печатной платы. 4.2. Анализ механической прочности печатной платы Проведем частотный и термический анализы для полученной модели платы. Перед проведением частотного анализа сделаем расчет собственных резонансных частот печатной платы. Расчёт собственных колебаний печатной платы производится по следующему выражению (2). f 0 = 1 2 π K α a 2 √ ( D M ) a ∙ b ,(2) 60 где a , b – длина и ширина печатной платы, D – цилиндрическая жесткость, M – масса печатной платы с установленными элементами, K α – коэффициент, зависящий от способа закрепления печатной платы (4). Цилиндрическая жесткость рассчитывается согласно выражению (3): D= E h 3 12 ( 1−ν 2 ) ( 3) где E – модуль упругости, h - толщина печатной платы, ν – коэффициент Пуассона. K α = k √ α+β a 2 b 2 + γ a 4 b 4 ( 4) Здесь k , α , β , γ – коэффициенты, соответствующие способу закрепления сторон печатной платы. С учетом применяемого вида крепления (4 точки по углам печатной платы) (5): K α = 3,52 ∙ a 2 ∙b 2 ( 5) Входными данными для расчета являются: a=50 мм b=60 мм M=110 г h=2 мм E=3,3∙ 10 10 Па ν=0,3 Тогда f 0 = 405 Гц Для практической проверки рассчитанных собственных резонансных частот используется дополнительный пакет SolidWorks Simulation, где можно определить собственные частоты структуры, а также формы ее вибрационной реакции. 61 При проведении анализа используется конечно – элементная модель (КЭМ), которая представляет собой комбинацию связанных между собой тетраэдральных твердотельных конечных элементов. При проведении анализа используется упрощенная 3D модель платы, представленная на рисунке 26. Рисунок 26 - Конечно-элементная модель платы. Эпюры колебаний резонансных частот со шкалами полных перемещений приведены на рисунках 27-31. Также показаны шкалы результирующих 62 амплитуд, с помощью которых можно провести качественную оценку распределения деформаций Рисунок 27 - Эпюра колебания на первой резонансной частоте Рисунок 28 - Эпюра колебания на второй резонансной частоте 63 Рисунок 29 - Эпюра колебания на третьей резонансной частоте Рисунок 30 - Эпюра колебания на четвертой резонансной частоте 64 Рисунок 31 - Эпюра колебания на пятой резонансной частоте На частоте 137 Гц участвует в динамической реакции по оси Oz 83% массы конструкции. На частоте 820 Гц в динамической реакции по оси Oz участвует 0,4% массы конструкции. В остальных направлениях участвует менее 1,6% массы конструкции. Шкалы полных перемещений для случая модального анализа безразмерны и служат только для качественной оценки. 65 Рисунок 32 - Основные резонансные частоты эффективных масс. Рисунок 33 - Основные резонансные частоты. 66 Вывод:на печатной плате отсутствуют вынуждающие силы высокой амплитуды с данными резонансными частотами, поэтому они не представляют опасности. 4.3. Проведение теплового анализа печатной платы Рассмотрим модель печатной платы. Значение теплопроводности материалов, использованных в конструкции прибора. Теплопроводность материалов: Стеклотекстолит – 0,64 Вт/м*К, коэффициент излучения 0,66. Керамика – 1,5 Вт/м*К, коэффициент излучения 0,5. Температура поверхности места установки прибора при штатной эксплуатации находится в интервале от -35ºС до + 35ºС. При расчете термического состояния на основе метода конечных элементов, использовалась упрощенная модель печатной платы. Тепловая мощность ЭРИ задавалась в расчете сосредоточенной на месте крепления, на основании ЭРИ или распределенной по поверхности платы. Расчет температурного состояния был выполнен при температуре окружающей среды +23ºС. Анализируя данные, полученные при моделирование теплового воздействия результаты, получаем: Максимальная температура наблюдается в области резисторов - 53°С; средняя температура – 43°С; минимальная температура – 29°С. 67 Рисунок 34 - Распределение температуры. По результатам термического анализа конструкции модуля синтезатора частот можем утверждать, что предложенная схема пассивного теплоотвода (естественное охлаждение) подходит для поддержания необходимого теплового режима работы в связи с низким энергопотреблением устройства при нормальных климатических условиях: температуре окружающей среды+23±10°С. Конструкция относится к нетеплонагруженным РЭС, следовательно, охлаждение печатного узла не требуется, что также подтверждается термическим моделированием [7]. 68 5. Технологическая часть Технологическая часть данной дипломной работы состоит из следующей конструкторской документации [6]: 1. Сборочный чертеж платы АБВГ-421413.001 СБ. 2. Спецификация АБВГ-421413.001 СП. 3. Маршрутная карта печатной платы [5]. 4. Комплектовочная карта. Входной контроль ПП и ЭРЭ На входном контроле выполняется дополнительная проверка элементов по параметрам, определяющим их работоспособность и надежность с целью исключения дефектных элементов в следствии ошибок поставщика, продолжительного хранения на складе, повреждений во время транспортирования и т.д. При входном контроле ЭРЭ подвергаются как визуальной, так и электрической проверке. При визуальной проверке обращают внимание на наличие на элементе отчетливо видимой надписи, типа, номинала, допуска, клейма приемки ОТК, а также на отсутствие царапин, сколов, трещин, вмятин и коррозии. Визуальным осмотром проверяют внешний вид, качество обработки, отделки, рисунок и т.д. печатной платы на соответствие требованиям частных технических условий при увеличении или без него [10]. Комплектование групп Осуществляется размещение компонентов на ленту, подающую их на автомат установки MYDATA серии MY. Используемое оборудование монтажный стол и электровакуумный пинцет. Монтажный стол Treston WB был разработан для применения на сборочном производстве. В основу концепции были заложены простота и 69 высокая эргономичность, позволяющие легко адаптировать каждое рабочее место к множеству задач производства. Регулировка по высоте с помощью торцевого ключа, электропривода или убираемой ручки позволяют оператору работать как сидя, так и стоя, причем большая глубина столешницы и широкий выбор аксессуаров обеспечивают хороший доступ к ним. Другой отличительной особенностью монтажного стола Treston WB является контур без выступов; столы могут быть установлены рядом друг с другом, без каких-либо зазоров между ними. Высота столешницы может регулироваться в пределах от 700 до 1100 мм Во всех случаях система регулировки выполнена из фиксируемых алюминиевых профилей, формирующих прочный, жесткий каркас. Стальные части каркаса имеют эпоксидно-порошковое покрытие, RAL 7035. Монтажный стол Treston WB имеет столешницу толщиной 25 мм, которая покрыта антистатическим ламинатом. 70 Рисунок 35 - Монтажный стол. Вакуумный пинцет ВМ-045 предназначен для безопасной и удобной работы с электронными компонентами. Вакуумный пинцет в зависимости от используемой присоски обеспечивает поднятие гладких не пористых объектов весом до 200 грамм. Ручка пинцета, термостойкие присоски, воздушный шланг изготовлены из антистатических материалов для уменьшения риска электростатического повреждения электронных компонентов. 71 Для удобства оператора вакуумный пинцет снабжен ножной педалью управления. Вакуумный захват предназначен для периодической кратковременной работы [11]. Рисунок 36 - Вакуумный пинцет. Подготовка поверхности ПП Перед нанесением припойной пасты необходимо подготовить поверхность печатной платы. Обезжириваем спирто-нефрасовой смесью, используя перчатки и тампоны. После высушиваем в сушильном шкафу [12]. Универсальные сушильные шкафы SNOL® с принудительной воздушной конвекцией предназначены для сушки и других видов термообработки различных материалов. Сушильные шкафы SNOL® находят широкое применение в лабораториях, образовательных и медицинских учреждениях, в различных отраслях промышленности. Рабочая камера из простой углеродистой или нержавеющей стали 72 1. Диапазон рабочей температуры от +50ºC до +350ºC 2. Быстрый нагрев 3. Принудительная конвекция воздуха (вентилятор в камере) обеспечивает равномерность распределения температуры 4. Отверстия для удаления влаги из рабочей камеры и ее вентиляции 5. Загрузка на различных уровнях посредством съёмных полок 6. Высококачественные термоизоляционные материалы, минимизируют потери тепла, способствуют быстрому разогреву камеры и снижению энергопотребления 7. Окраска корпуса печи сушильного шкафа термоустойчивой порошковой краской Дополнительные опции: а) Смотровое окно, б) Дополнительный патрубок, в) Дополнительные полки или противни для сыпучих материалов, г) Аттестация электропечи, д) Стол для размещения сушильного шкафа Рисунок 37 - Сушильный шкаф. Нанесение припойной пасты 73 С помощью автоматического принтера нанесения пасты производится нанесение припойной пасты на печатную плату. Перед нанесением пасты, устанавливается трафарет. После трафарет промывается деионизированной водой и сушится. Проверяем качество нанесения пасты. Некоррозионные припойные пасты предназначены для пайки оплавлением в процессе автоматизированного или механизированного поверхностного монтажа. Припойные пасты изготавливаются на основе низкотемпературных припоев состава Sn62Pb36Ag2 и Sn63Pb37 и применяются для пайки узлов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и изделий микроэлектроники. Припойные пасты изготавливаются по ТУ 1723-001- 07518266-2009. 74 Рисунок 38 - Припойная паста. Отличительные особенности: - Обеспечивают хорошую смачиваемость и паяемость основных типов финишных покрытий контактных площадок ПП, в том числе: • горячее лужение олово-свинец; • иммерсионное золото; • иммерсионное серебро; • иммерсионное олово; -Не снижают сопротивление изоляции диэлектрика печатной платы; -Отпечатки пасты обладают устойчивостью к растеканию; -Не содержат галогенов в составе флюса. Отмывка Остатки флюса припойных паст после оплавления являются некоррозионными, но для обеспечения процесса влагозащиты электронного модуля РЭА подлежат удалению после пайки [8]. Автоматический принтер нанесения пасты MOTOPRINT–AVL идеально подходит для установки в небольшие автоматические производственные линии. Не смотря на небольшую стоимость данный принтер, имеет хорошую точность, которая может обеспечить любые потребности в производстве. Автоматическая система совмещения платы и трафарета работает с любыми платами и трафаретами и не нуждается в реперных метках. 75 Рисунок 39 - Автоматический принтер нанесения пасты. Производительность до 120плат в час. Позиционирование производится по площадкам трафарета и апертурам трафарета. Принтер может комплектоваться рамками с механическим и пневматическим натяжением трафарета. В принтере можно управлять любыми параметрами, такими как скорость движения ракеля, давления ракеля, скорость отрыва трафарета от платы и т.д. Принтер оснащен функцией вакуумной и влажной очистки трафарета. Совмещение с другим оборудованием обеспечивается SMEMA интерфейсом. Отличительна особенность принтера – выступающие направляющие конвейера. Эта особенность позволяет установить принтер вплотную к загрузчику печатных плат и установщику компонентов, не прибегая к дополнительным промежуточным конвейерам, а также позволяет уменьшить некоторые затраты. Принтер MotoPrint-AVL имеет богатый выбор различных опций, среди которых: - Рамка с пружинным натяжением для крепления трафарета - Система механических креплений рамок - Система пневматических креплений рамки - Ассортимент автоматических полиуретановых и металлических ракелей 76 - Система вакуумной и влажной очистки трафарета Основные достоинства - Высокая точность совмещения трафарета и платы - Отличная повторяемость - Система автоматической очистки трафарета. Установка поверхностно-монтируемых элементов Осуществляется размещение компонентов на плату установщиком компании Mydata по заранее заданной программе в соответствии со сборочным чертежом АБВГ-421413.001 СБ. Проводим визуальный контроль установленных компонентов. Рисунок 40 - Автомат MYDATA серии MY. Семейство установщиков компании MYDATA состоит из машин MY9, MY12, MY15 и MY19. Все устройства идентичны между собой по конфигурации и отличаются только емкостью питателей. В обозначении машин цифра означает количество мест под питатели и сборочный стол (MY9 — 9 мест и т. д.). Общая емкость питателей установщика ΜΥ9 позволяет выполнять одновременную работу с 96 восьмимиллиметровыми лентами компонентов, а установщики MY12, MY15 и MY19 при установке 77 сборочных столов, занимающих 3 места, обеспечивают общие емкости в 144, 196 и 256 лент соответственно. Во всех установщиках этого семейства питатели находятся со стороны оператора машины. Машину отличает высокопрочная цельная станина и раздельное перемещение по осям, что обеспечивает очень стабильное и точное позиционирование. Метод ISIS, используемый в установщиках MYDATA, позволяет регистрировать слабое касание инструмента печатной платы и в дальнейшем формировать усилие прижима компонента при его монтаже. Этот метод компенсирует разницу в высоте при монтаже компонентов, отличающихся по высоте, а также минимизирует коробление печатной платы. Контроль усилия прижима помогает преодолевать такие типичные для поверхностного монтажа проблемы, как образование шариков припоя, разрушение стеклянных диодов, неполное прилегание, сдвиг компонентов и т. д. Программное обеспечение работает под управлением Linux и является весьма дружественным по отношению к пользователю. Все автоматы оснащены сетевым интерфейсом, предоставляющим дистанционную возможность оперативно менять или загружать программу, смотреть статистику, вводить новые компоненты. Автоматические установщики MYDATA включают высокоточную установочную голову MIDAS. Совместно с MIDAS используется двойная видеосистема центрирования компонентов от 01005 и до микросхем с шагом от 0,1 мм. Система позволяет устанавливать любые существующие компоненты (Chip, BGA, QFP, SOP, SOJ, PLCC, FlipChip). Максимальная высота компонента до 25 мм. Есть возможность центрирования компонентов при помощи электродов электроверификатора, что способствует точной установке полностью прозрачных корпусов компонентов, не поддающихся лазерному или оптическому центрированию. 78 Во все установщики встроена собственная автономная система сжатого воздуха в виде вакуумной помпы и компрессора. Технические характеристики установщиков Mycronic серии MY 300 Рисунок 41 - Технические характеристики установщиков. (1) В зависимости от типов компонентов и их использования (2) Чистая производительность = (кол-во компонентов х 3600) / (время монтажа платы + время транспортировки платы) 79 Рисунок 42 - Габаритные размеры. Пайка оплавлением припоя Размещаем на ленте транспортера конвейерной печи Heller печатную плату с установленными поверхностно-монтируемыми компонентами. Печь Heller серии Mark III Рисунок 43 - Печь Heller. 80 7-зонная, 9-зонная и 13-зонная высокоэффективные конвекционные печи оплавления припоя. Работа по свинцовой и бессвинцовой технологии Компактный дизайн Энергосберегающий дизайн, позволяющий минимизировать потребление электроэнергии Очень экономный расход азота Большее количество зон нагрева по сравнению с печами других производителей позволяет создать максимально плавный рост температурного профиля Нижний подогрев в стандартной комплектации Система удаления флюса (Gen 5.2 и Gen 9.2) с функцией самоочистки без приостановки производства Возможность считывания штрих-кодов для отслеживания продукции ECD – встраиваемое программное обеспечение для отслеживания условий производства и получаемого качества продукции (коэффициент Cpk печи) Автоматическая смазка конвейера Соответствие международным стандартам Отмывка печатного узла Производим отмывку печатного узла и последующую сушку в соответствующих модулях системы отмывки Miniclean. Система отмывки Miniclean 81 |