Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Аветисов Альберт Георгиевич
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С ПРИМЕНЕНИЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА И ТЕХНОЛОГИИ ВНУТРЕННЕГО МОНТАЖА
Специальность: 05.02.22 - Организация производства (в области радиоэлектроники)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2012 Диссертационная работа выполнена на кафедре Конструирование и производство радиоэлектронных средств федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики.
Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Давлетчин Дамир Исхакович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лёгкий Николай Михайлович кандидат технических наук Старченко Сергей Анатольевич Ведущая организация МИТХТ им. М.В. Ломоносова
Защита состоится 2012 г. в на заседании диссертационного совета Д212.131.04 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики по адресу: 119454, г. Москва, пр. Вернадского, 78.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики.
Автореферат разослан 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Замуруев Сергей Николаевич 1.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Основным конструктивным элементом современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) является печатная плата (ПП).
От того, как качественно будет спроектирована конструкция ПП, зависит и качество конечного изделия, в состав которого входит ПП, как основной конструктивный элемент. Поэтому необходимо правильно определить материал ПП, количество слоёв ПП, технологию изготовления, класс точности, технологию монтажа радиоэлементов на ПП, тип финишного покрытия и припоя.
Следовательно, при проектировании РЭА следует уделять повышенное внимание конструкторско-технологическому проектированию ПП.
В настоящее время для решения задач конструкторско-технологического проектирования ПП широко используются системы автоматизированного проектирования (САПР) ПП, которые применяются при компоновке радиоэлементов на подложке ПП и трассировке печатных проводников в соответствии с электрической принципиальной схемой. Применение САПР ПП позволяет эффективно и быстро спроектировать конструкцию ПП.
Кроме того, существует необходимость дальнейшего совершенствования САПР, заключающегося в разработке и применении на производстве автоматизированных программных средств, базирующихся на технологии экспертных систем (ЭС), или инженерии знаний для поддержки принятия решения инженеру-конструктору на этапе конструкторско-технологического проектирования ПП.
Более того, конструкторско-технологическое проектирование ПП связано с требованиями увеличения плотности монтажа, уменьшения геометрических размеров и веса при одновременном увеличении функциональных возможностей. Это требует разработки принципиально новых подходов при создании радиоэлектронных средств (РЭС). Одним из таких подходов является переход к технологии внутреннего монтажа.
Целью диссертационной работы является разработка метода автоматизированного конструкторско-технологического проектирования ПП, конструкции и технологии изготовления ПП со встроенными активными и пассивными компонентами.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
анализ материалов ПП;
анализ технологий монтажа радиоэлементов на ПП;
анализ технологий изготовления ПП;
формулировка правил для автоматизированного программного средства;
разработка программного обеспечения.
Объектом исследования является проектирование и технология производства ПП РЭС.
Предметом исследования являются материалы, технологии и программы, применяемые для проектирования и производства ПП РЭС.
В основе проводимых в диссертационной работе исследований были использованы следующие методы: сравнительный анализ - при анализе материалов ПП, технологий монтажа радиоэлементов на ПП, технологий изготовления ПП; методы искусственного интеллекта; концепции логического программирования.
Научная новизна:
впервые предложена конструкция и технология изготовления гибкожёсткой ПП (ГЖП) со встроенными активными (по технологии внутреннего монтажа) и пассивными компонентами;
разработано автоматизированное программное средство для конструкторско-технологического проектирования ПП;
предложены конструкторско-технологические решения миниатюризации конструкции ПП полярографа ПЛС-2А.
Положения, выносимые на защиту:
1. Новая конструкция ПП универсального полярографа, позволяющая уменьшить габаритные размеры.
2. Организация производства ГЖП со встроенными активными и пассивными компонентами.
3. База знаний автоматизированного программного средства.
4. Автоматизированное программное средство для решения задач конструкторско-технологического проектирования ПП.
Практическая значимость и внедрение результатов работы Полученные результаты исследования имеют огромную практическую значимость и могут быть рекомендованы для широкого применения на предприятиях радиоэлектронной отрасли.
Конструкцию ГЖП со встроенными активными и пассивными компонентами рекомендуется применить в РЭА, в которой требуется уменьшить вес и объём, что имеет огромное значение в связи с тенденций микроминиатюризации.
Внедрение на производство интеллектуальных программ - ЭС, позволит наиболее эффективно спроектировать конструкцию РЭА, в состав которой входит ПП.
Предложенные решения позволят повысить надёжность и функциональность РЭА, что, в свою очередь, имеет огромное значение для развития экономики и повышения конкурентной борьбы отечественных предприятий с зарубежными фирмами.
По результатам исследований: получен диплом лауреата на III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных Искусственный интеллект: философия, методология, инновации; получен диплом на XI Всероссийской выставке Научно-техническое творчество молодёжи и научно-практической конференции Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях; получены грамоты на IV, V Все российской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных Искусственный интеллект: философия, методология, инновации; получена грамота на конкурсе МГТУ МИРЭА 2011 Лучшая научная работа студентов и молодых учёных за научную работу Разработка экспертной системы для проектирования печатных плат радиоэлектронных средств.
Результаты исследования подтверждены двумя актами о внедрении:
в химико-аналитической лаборатории ПУ Зеленоградводоканал МГУП Мосводоканал;
в химико-аналитической лаборатории Щёлковский водоканал г.
Щёлково Московской области.
Апробация работы Основные результаты исследования доложены на: III, IV, V Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных Искусственный интеллект: философия, методология, инновации (г. Москва, 2009, 2010, 20гг.); VII Международной теплофизической школе Теплофизические исследования и измерения при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг (г. Тамбов, 2010 г.); I Всероссийской конференции Радиоэлектронные средства передачи и приёма сигналов и визуализации информации (г. Таганрог, 2011); III Международной научно-практической конференции Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях; 59, 60 и 61-й научно-технической конференции МГТУ МИРЭА (г. Москва, 2010, 2011 и 2012 гг.); IV Международной научно-практической конференции Перспективы развития информационных технологий (г. Новосибирск, 2011 г.); IV Международной научно-практической конференции Экология - образование, наука, промышленность и здоровье (г. Белгород, 2011 г.);
XVIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (г. Москва, 2012 г.); 67-й Всероссийской конференции с международным участием RDC-2012 (г. Москва, 2012 г.).
Публикации По результатам исследований и практических разработок опубликовано 17 научных работ, из них 3 - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации (ВАК РФ), и одно учебное пособие. Общий объём публикаций - 15 п.л.
ичный вклад автора Автором лично разработана база знаний автоматизированного программного средства (ЭС) для решения задач конструкторско-технологического проектирования ПП.
Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 85 наименования и трёх приложений. Основная часть работы изложена на 127 страницах, содержит 20 таблиц и 20 рисунков.
2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована научная актуальность темы, сформулирована цель и определены задачи исследования, научная новизна и значимость полученных результатов. Указаны выносимые на защиту научные положения и результаты.
В первой главе приводится обзор материалов, конструкций и технологий изготовления ПП. Кроме того, рассматриваются вопросы дальнейшей тенденции развития печатной технологии. Описано, что тенденция развития производства ПП связана с требованиями увеличения плотности монтажа, уменьшения геометрических размеров и веса при одновременном увеличении функциональных возможностей. Отмечено, что перспективной технологией монтажа является технология внутреннего монтажа. Технология внутреннего монтажа была разработана на Брянском предприятии Кремний в середине 1980-х го дов. В настоящее время отечественная технология внутреннего монтажа активно развивается и продвигается благодаря усилиям разработчика технологии Черного Б.И. и директора ООО НПП КВП Радуга Назарова Е.С.
Кроме того, описано, что одним из перспективных направлений процесса автоматизации проектирования является подход, основанный на применении идей искусственного интеллекта. Считается, что реализация указанного подхода возможна за счёт применения автоматизированных программных средств - ЭС.
Во второй главе проведён анализ материалов ПП, элементной базы, технологий монтажа радиоэлементов на ПП и технологий изготовления ПП для реализации базы знаний автоматизированного программного средства.
Критериями оценки материала ПП служат возможности применения материала:
в конструкциях односторонних ПП, двусторонних ПП, многослойных ПП, гибких ПП, ГЖП;
с высокотемпературными технологическими процессами;
в жёстких условиях эксплуатации;
в высокочастотной аналоговой или быстродействующей цифровой аппаратуре.
Критерии оценки технологий изготовления ПП:
1. Возможность получения минимальной ширины печатного проводника для заданного класса точности согласно ГОСТ 53429-2009;
2. Технологические особенности:
химического метода изготовления ПП;
аддитивного метода изготовления ПП;
комбинированного позитивного метода изготовления ПП;
тентинг-метода изготовления ПП;
метода металлизации сквозных отверстий, в том числе с последующим наращиванием слоёв для формирования глухих и слепых отверстий.
Критерии оценки элементной базы:
возможность монтажа радиоэлементов пайкой волной припоя;
особенности технологии монтажа в случае применения только радиоэлементов, предназначенных для установки в отверстия;
особенности технологии монтажа в случае применения только поверхностно-монтируемых радиоэлементов;
особенности технологии монтажа как в случае применения радиоэлементов, предназначенных для установки в отверстия, так и в случае применения поверхностно-монтируемых радиоэлементов;
особенности технологии монтажа в случае применения микросхем с матричными выводами.
Результаты анализа использованы для формулировки правил и разработки базы знаний автоматизированного программного средства.
Третья глава работы посвящена разработке конструкции и технологии изготовления ГЖП со встроенными компонентами. Кроме того, для определения перспективной технологии, позволяющей уменьшить габаритные размеры РЭА, проведён анализ конструкций ПП, спроектированных по трём технологиям: поверхностный монтаж, COB-технология, внутренний монтаж.
Определено, что важным этапом при проектировании конструкции ПП и выборе технологии монтажа радиоэлементов на ПП является оценка степени дезинтеграции микросхем:
S Q =, Sгде S1 - площадь кристалла, S2 - площадь монтажного поля микросхемы на ПП.
Анализ показал, что монтаж бескорпусных микросхем на ПП по COBтехнологии имеет преимущество по сравнению с установкой корпусных микросхем по технологии поверхностного монтажа, что связанно с уменьшением посадочного места микросхемы, и, следовательно, занимаемой площади на наружных слоях ПП.
Кроме того, уменьшения габаритных размеров можно добиться, применяя технологию встраивания активных (внутренний монтаж) и пассивных компонентов внутрь основы ПП.
Для определения перспективной технологии монтажа компонентов на ПП определены основные компоновочные параметры приведенных выше технологий монтажа: коэффициент использования площади ПП; коэффициент повторяемости микросхем и микросборок; коэффициент автоматизации и механизации монтажа.
Результаты оценки различных технологий монтажа приведены в таблице.
Таблица - Сравнение технологий монтажа радиоэлементов на ПП Поверхностный COB-технология Внутренний монтаж монтаж Степень дезинтеграции 1,3-19,2 1,2-6,9 микросхем Площадь ПП, 3024 2436 2010-6 мКоэффициент использования 0,82 0,86 0,площади ПП, КS Коэффициент повторяемости микросхем и 0,44 1 микросборок, Кповт.мк.
Коэффициент автоматизации и 0,87 0,73 0,механизации монтажа, Ка.м.
Результаты анализа данных таблицы показывают, что лучшей технологией монтажа, в связи с тенденцией микроминиатюризации, является технология встраивания кристаллов микросхем, а также пассивных компонентов внутрь ПП.
Предложена конструкция (рисунок 1) и технология изготовления (рисунок 2) ГЖП со встроенными активными и пассивными компонентами. Технология изготовления ГЖП со встроенными компонентами включает три этапа:
1. Монтаж активных компонентов (кристаллов микросхем) по технологии внутреннего монтажа.
2. Встраивание пассивных компонентов.
3. Монтаж поверхностно-монтируемых компонентов на подложку, в которую встроены активные и пассивные компоненты.
Рисунок 1 - Конструкция ГЖП со встроенными компонентами Предлагаемая конструкция ГЖП со встроенными компонентами может быть применена в аппаратуре, в которой требуется уменьшить габариты и вес:
видеокамере, цифровом фотоаппарате, ноутбуке, приборной панели автомобиля, сотовом телефоне.
В четвёртой главе разработано автоматизированное программное средство для решения задач конструкторско-технологического проектирования ПП.
На рисунке 3 приведена схема конструкторско-технологического проектирования ПП с применением автоматизированного программного средства.
Выбор материала для Нарезка жёсткого ма- Выбор и раскрой мате- Нарезка покровных встраивания активных териала и склеивающих риала для гибкой части материалов компонентов листов Сверление базовых Сверление базовых Сверление базовых Сверление базовых отверстий отверстий отверстий и надрез отверстий контура отделяемой части Формирование отвер- Формирование провостий для закладки кри- дящего рисунка комФормирование провосталлов активных ком- бинированным позидящего рисунка компонентов тивным методом бинированным позитивным методом Закладка кристаллов в Наслоение покровной отверстия плёнки Нанесение паяльной маски Фиксация кристаллов в Подготовка к прессоотверстиях ванию Нанесение покрытия на участки проводящего рисунка свободные от Формирование диэлек- Прессование покровмаски трического слоя пари- ной плёнки лена Отмывка флюса Формирование окон в париленовом слое над Сушка контактными площадками кристаллов Монтаж пассивных компонентов Совмещение свободной маски и подложки Контроль Напыление токоведущих дорожек Подготовка к прессованию Прессование слоёв Сверлений отверстий Химическая или прямая металлизация Формирование проводящего рисунка комбинированным позитивным методом Нанесение паяльной маски Нанесение покрытия на участки проводящего рисунка свободные от маски Отмывка флюса Сушка Монтаж поверхностно-монтируемых компонентов Финишный контроль Рисунок 2 - Схема процесса изготовления ГЖП со встроенными компонентами Рисунок 3 - Схема проектирования ПП с применением программного средства При формулировке правил для автоматизированного программного средства применялась логика высказываний и исчисление предикатов первого порядка. Кроме того, за основу декларативного описания предметной области применялась специальная форма представления в виде фактов и правил. Сформулировано 636 правил на языке логического программирования Visual Prolog 5.2.
Для того чтобы программа обращалась к конкретному правилу необходимо от пользователя (инженера-конструктора) получить определённый ответ, который соответствуют условию в правиле. Для этого было сформулировано тридцать четыре вопроса, посредством которых осуществляется диалог программы с инженером-конструктором. Путём подбора вопросов программа извлекает хранящуюся в ней информацию: факты и правила.
Запись правила на языке Visual Prolog для выдачи рекомендаций о материале ПП имеет вид: not(спросить(4)), спросить(1), спросить(12), спросить(9), fact1(Ширина_проводника), Ширина_проводника>=0.45, fact34(D), D>=0.8, fact8(Материал), Материал=1, fact2(Температура), fact3(Частота), Температура<=85, Частота<100000000, write ("Рекомендуется применить фольгированные гетинаксы: XXP, FR-1, FR-2, CEM-1."), nl.
Программа обращается к данному правилу путём подбора следующих вопросов:
1. Применяются микросхемы с матрицей шариковых или столбиковых выводов, например, BGA, PBGA, TBGA, microBGA, CCGA?.
2. Применяется только традиционная элементная база (компоненты для монтажа в отверстия)?.
3. Группа жёсткости (условия эксплуатации аппаратуры), согласно ГОСТ 23752-79, - первая?.
4. Конструкторская сложность функционального узла - малая (общее количество задействованных выводов у микросхем до 350)?.
5. Тип конструкции печатной платы: если жёсткая - введите 1; если гибкая - введите 2; если гибко-жёсткая - введите 3?.
6. Максимальная температура, воздействующая на ПП?.
7. Рабочая частота, Гц?.
Правило считается истинным, если соблюдаются все условия входящие в правило. В связи с этим программа сопоставляет полученные ответы с телом правила. Унификация тела правила будет выполнена успешно если на вопрос под номером 1 будет введён отрицательный ответ (для этого введён предикат
Автоматизированное программное средство позволяет инженеруконструктору принять решение о выборе материала ПП, метода изготовления ПП, класса точности, технологии изготовления ПП, технологии монтажа радиоэлементов на ПП, типа финишного покрытия и припоя, об элементах печатного монтажа. Инженер-конструктор может принять собственное решение с учётом рекомендаций программного средства.
Разработанное автоматизированное программное средство позволяет применить её для разработки конструкций РЭА, в том числе устройств и систем телевидения, а также измерительной аппаратуры основным конструктивном элементом которых является ПП.
В пятой главе приводится практическое применение автоматизированного программного средства для проектирования конструкции ПП универсального полярографа ПЛС-2А, ПУ-1.
Предложено конструкторско-технологическое решение, позволяющее уменьшить габаритные размеры ПП универсального полярографа ПЛС-2А без замены технологической оснастки производства, что является экономически выгодным решением, путём применения бескорпусных кристаллов микросхем и технологии COB взамен габаритных корпусированных микросхем. Предложенное решение позволяет сэкономить 4992,210-6 м2 на ПП, что составляет 15,6% от площади ПП с габаритным размером 160х200.
В заключении приведены результаты работы и сделаны выводы.
3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В результате диссертационного исследования были решены задачи:
проанализированы материалы, технологии монтажа радиоэлементов, технологии изготовления ПП;
сформулированы правила и разработана база знаний для автоматизированного программного средства;
разработано автоматизированное программное средство для конструкторско-технологического проектирования ПП;
предложена конструкция ГЖП со встроенными активными и пассивными компонентами;
предложены конструкторско-технологические решения миниатюризации конструкции ПП универсального полярографа ПЛС-2А;
разработана методика автоматизированного конструкторскотехнологического проектирования ПП;
спроектирована конструкция ПП универсального полярографа ПЛС2А, ПУ-1 с применением автоматизированного программного средства.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Аветисов А.Г. Разработка гибко-жёсткой платы со встроенными элементами // Проектирование и технология электронных средств. - 2010. - №4. - с. 2-7.
2. Аветисов А.Г., Салихджанова Р.М.-Ф. Анализ технологий монтажа радиоэлементов на печатные платы // Информационные технологии в проектировании и производстве. - 2011. - №4. - с. 43-50.
3. Аветисов А.Г. Салихджанова Р.М.-Ф. Интеллектуальное конструкторско-технологическое проектирование печатных плат // Информационные технологии в проектировании и производстве. - 2012. - №1. - с. 55-60.
Статьи и материалы конференций:
4. Аветисов А. Г., Давлетчин Д. И. Искусственный интеллект в автоматизированном проектировании печатных плат. // Искусственный интеллект:
философия, методология, инновации. Материалы III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. - М.: Связь-Принт. - 2009. - с.
90-92.
5. Аветисов А. Г., Салихджанова Р. М.-Ф. Автоматизированное проектирование конструкций как средство повышения качества и себестоимости изделия. // Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг.
Материалы седьмой международной теплофизической школы. Ч. II. - Тамбов:
ГОУ ВПО ТГТУ. - 2010. - с. 180-183.
6. Аветисов А. Г., Салихджанова Р. М.-Ф. Нейро-утилиты и алгоритмы трассировки печатных плат, как метод повышения интеллектуальности автотрассировщиков. // Искусственный интеллект: философия, методология, инновации. Материалы IV Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. - М.: Радио и связь. - 2010. Ч.1. - с. 77-79.
7. Аветисов А. Г., Салихджанова Р. М.-Ф. Проектирование печатной платы в условиях экологической безопасности. // Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях: сб. докладов III Международной научно-практической конференции. - М.: МГС. - 2011. - с. 8788.
8. Аветисов А. Г., Давлетчин Д. И. Проектирование печатных плат для вольтамперометрической аппаратуры. // Экология - образование, наука, промышленность и здоровье: сб. докладов IV Международной научнопрактической конференции. - Белгород: Изд-во БГТУ. - 2011. - Ч.1. - с. 223225.
9. Аветисов А. Г. Салихджанова Р. М.-Ф. Проектирование печатной платы с применением современной элементной базы. Радиоэлектронные средства передачи и приёма сигналов и визуализации информации. // Материалы первой Всероссийской конференции. - М.: Изд-во РНТОРЭС им. А. С. Попова. - 2011.
Ц с. 136-138.
10. Аветисов А. Г., Салихджанова Р. М.-Ф. Тенденция развития печатной технологии. // 60 Научно-техническая конференции. Сборник трудов. Ч.3. Технические науки. - М.: МГТУ МИРЭА. - 2011. - с. 104-108.
11. Аветисов А. Г. Интеллектуальное проектирование печатных плат. // Перспективы развития информационных технологий. Сборник материалов IV Международной научно-практической конференции. - Новосибирск: Издательство НГТУ. - 2011. - с. 90-94.
12. Аветисов А. Г. Разработка экспертной системы для проектирования печатных плат. // Искусственный интеллект: философия, методология, инновации. Материалы V Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. - М.: Радио и связь. - 2011. - с. 140-142.
13. Аветисов А.Г., Давлетчин Д.И. Применение экспертной системы при проектировании печатных плат. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Материалы восемнадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: Тез. докл. Т. 2. - М.: Издательский дом МЭИ. - 2012. - с. 70.
14. Аветисов А. Г., Салихджанова Р. М.-Ф. Экспертный метод проектирования печатных плат для измерительной техники // Мир измерений. - 2012. - №5. - с. 14-18.
15. Аветисов А.Г. Разработка метода автоматизированного конструкторско-технологического проектирования печатных плат радиоэлектронной аппаратуры. // Сборник докладов 67-й Всероссийской конференции с международным участием Научная сессия, посвящённая дню Радио. - М.: Изд-во РНТОРЭС им. А. С. Попова. - 2012. - с. 207-209.
16. Аветисов А.Г., Салихджанова Р. М.-Ф. Проектирование печатных плат со встроенными компонентами. // 61 Научно-техническая конференция.
Сборник трудов. Ч.3. Технические науки. - М.: МГТУ МИРЭА. - 2012. - с. 1115.
Учебно-методические работы 17. Салихджанова Р.М.-Ф., Давлетчин Д.И., Аветисов А.Г. Основы производства аппаратуры телекоммуникационных волоконно-оптических линий связи: Учебное пособие / Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технический университет радиотехники электроники и автоматики - М., 2012. - 152 с.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям