Особенности разработки и изготовления электронного устройства в единой информационной среде для осуществления учебного процесса


PDF версия

В статье дан образец построения технологического процесса в единой информационной среде на примере создания печатной платы в лаборатории поверхностного монтажа. Рассмотрены теоретические основы и практическая реализация цикла подготовки производства и изготовления изделия. Особое внимание уделено работе с автоматизированным оборудованием.

В последние годы на фоне развития промышленного производства современной электроники особое место занимает бурно развивающийся сектор электронного оборудования. Растёт степень интеграции микросхем и микросборок, повышается количество компонентов в изделиях и плотность их упаковки, и вместе с тем ужесточаются требования, предъявляемые к самим изделиям. Ручной монтаж уже не соответствует современным требованиям и повсеместно заменяется на автоматизированный. В этой связи важную роль приобретает подготовка компетентных специалистов, способных решать сложные технологические задачи. Преподавание технологии электромонтажа имеет свои особенности. В последнее время технологическое оборудование постоянно усложняется, вследствие чего учащимся становится все труднее представить себе принципы его работы, особенно, если они раньше не имели опыта общения с таким оборудованием. Также, вследствие возрастающей сложности оборудования, увеличивается количество необходимых приемов и нюансов практической работы с ним. Приходится изучать особенности оборудования, которые невозможно описать на лекциях. Нужно непосредственно взаимодействовать с оборудованием, чтобы понять, как оно работает.
Развитие современного образования в России является непрерывным процессом и требует от учащихся и преподавателей инновационных подходов к обучению. Это необходимо, чтобы формировать новые компетенции, отвечающие последним веяниям науки и техники. НИУ ИТМО успешно осуществляет ряд стратегических разработок по государственным программам и проектно-конструкторским работам. На кафедре ТПС введена в эксплуатацию лаборатория поверхностного монтажа изделий электронной техники, где реализуется модель современного производства, когда разработка и изготовление изделий осуществляется в единой информационной среде. С целью оптимизации процесса обучения необходимо сформулировать для учащихся конкретное представление о производственно-технологическом процессе электромонтажа.
Рассмотрим работу в единой информационной среде (связь программного комплекса Altium Designer (trial-версии) с управляющей программой установки Mechatronika M60) на примере проектирования и изготовления платы для блока подсчёта объектов, проходящих через считывающее устройство (рис. 1), которое может быть запрограммировано на отображение их количества (например, подсчёт объектов осуществляется поштучно, по 80 штук).

 

Рис. 1. Ход работ в единой информационной среде

Изготовление платы включает в себя заказ и приобретение самой платы, а также компонентов, автоматизированный монтаж компонентов на плату, операции сушки, очистки и проверки изделия. В результате должно получиться законченное изделие (рис. 2).

 

Рис. 2. Пример платы

Как правило, алгоритм работы состоит в следующем. По заранее написанному ТЗ создается структурная электрическая схема (Э6). Затем определяются отдельные её элементы, их функции и назначение. Далее создаётся эскиз схемы электрических соединений (Э4) и подбираются элементы по каталогу (рис. 3). Если необходимые элементы подобрать не удаётся, то производится редактирование параметров и функций элементов схемы, после чего цикл повторяется. Затем на основе имеющейся схемы соединений создаётся принципиальная электрическая схема (Э3) и заносится в память ЭВМ средствами САПР. Далее на основе имеющейся схемы Э3 в САПР в автоматическом режиме проектируется ПП и размещаются компоненты. В случае, если какие-либо компоненты отсутствуют в БД ЭВМ, их необходимо создать. Трассировка ПП производится либо автоматически, либо в полуавтоматическом режиме.

 

Рис. 3. Пример подбора компонентов по каталогу

При этом положение компонентов на плате, возможно, корректируется (рис. 4). Далее схема проходит симуляцию с целью проверки её физических параметров и совместимости компонентов, и, если результаты симуляции неудовлетворительны, то осуществляется повторный цикл разработки с момента размещения компонентов. Если результаты симуляции всё равно остаются неудовлетворительными даже после нескольких циклов размещения, то осуществляется повторный подбор компонентов.

 

Рис. 4. Пример работы с ПП

Когда результаты симуляции удовлетворяют заданным требованиям, происходит подготовка данных для изготовления ПП. В производство передаются следующие данные:
– данные сверления ПП;
– данные топологии ПП;
– данные контактных площадок для нанесения пасты на ПП;
– трансляция данных о компонентах ПП для автомата-установщика компонентов.
Рассмотрим подготовку данных для производства ПП на примере работы лаборатории поверхностного монтажа и компании «Резонит».
В лаборатории была произведена подготовка технологических данных ПП в программе Altium Designer согласно технологической инструкции, полученной от предприятия-производителя.
Ниже приведена последовательность операций при подготовке технологических данных ПП.
1) Для подготовки данных топологии и сверления ПП в программе необходимо выбрать «File → Fabrication Outputs → Gerber Files». Далее в открывшемся окне необходимо задать конфигурацию Gerber-файлов.
2) В первой закладке «General» необходимо задать единицы измерения и формат вывода Gerber-файлов:
– единицы измерения — выбрать миллиметры;
– формат вывода — количество цифр в координатах площадок, линий и т.п. до и после десятичной запятой. Для миллиметров формат вывода 4:3 применим для сетки 1 мкм, а 4:4 — для 0,1 мкм, в остальных достаточно выбрать 4:2 (рис. 5).

 

Рис. 5. Настройка параметров ПП

3) Далее нужно перейти к закладке «Layers», в которой необходимо сконфигурировать набор слоев, необходимых для изготовления печатной платы. В случае рассматриваемой ПП необходимо выбрать следующие слои:
– TopSolder — слой, формирующий вскрытия в паяльной маске под последующее финишное покрытие контактных площадок и других открытых областей;
– TopLayer — слой топологии на верхней стороне печатной платы;
– BottomLayer — слой топологии на нижней стороне печатной платы;
– BottomSolder — слой, формирующий вскрытия в паяльной маске под последующее финишное покрытие контактных площадок и других открытых областей.
Поле «Include unconnected mid-layer pads» (включая неподключенные площадки на внутренних слоях) для производства ПП следует оставить заполненным. Закладка «Drill Drawing» пропускается, т.к. на производстве сверление выполняется на станках с ЧПУ, и в картах нет необходимости.
В закладке «Apertures» необходимо поставить галочку в поле «Embedded apertures (RS274X)».
В результате список используемых апертур (набор примитивов) для формирования рисунка печатной платы будет располагаться в начале каждого Gerber-файла.
4) Закончить конфигурирование Gerber-файлов необходимо в закладке «Advanced». В большинстве случаев всю информацию можно оставить без изменений, но иногда они все же требуются. Как правило, это бывает в случае смещения точки привязки левого нижнего угла платы в координату, превышающую предустановленный размер пленки фотошаблона (Film Size). В этом случае достаточно изменить значение параметра «Position on Film» на «Center on film» (рис. 6).

 

Рис. 6. Завершение настройки параметров ПП

5) Далее появляется поле с готовой трассировкой топологии ПП в выбранных слоях. Для сохранения результатов необходимо выбрать «File → Export → Gerber». Должен быть отмечен пункт «RS-274X». Далее необходимо нажать «ОК», затем указать папку для сохранения файла и подтвердить свой выбор нажатием кнопки «ОК».
6) Для формирования файла с программой сверления выбрать «File → Fabrication Outputs → NC Drill Files».
7) В открывшемся меню конфигурации программы сверления необходимо задать:
единицы измерения — миллиметры;
формат вывода — количество цифр в координатах отверстий до и после десятичной запятой.
Для миллиметров формат вывода 4:3 применим для сетки 1 мкм, а 4:4 — для 0,1 мкм, в остальных достаточно выбрать 4:2. Остальные параметры можно оставить без изменений.
8) Далее появляется поле с ПП с готовыми отверстиями. Для сохранения результатов необходимо выбрать «File → Export → Save Drill → Select layer», где следует выбрать «L1». Далее необходимо нажать «ОК», затем указать папку для сохранения файла и подтвердить свой выбор нажатием кнопки «ОК».
В результате проделанной работы в папке проекта сформируются все необходимые файлы для производства печатной платы и файлы отчетов:
– Name.EXTREP — отчет о наборе Gerber-файлов;
– Name.DRR — отчет о программе сверления.
После подтверждения производителем полноты и достоверности данных проекта, был заполнен бланк заказ-наряда, в котором были указаны необходимые файлы и параметры ПП. Также в заказ-наряде был обговорен ряд пунктов технологического процесса (золочение, металлизация отверстий, маска, обработка контура ПП) а также характеристики слоёв, включенных в проект.
Далее был запрошен векторный рисунок верхнего слоя ПП для проверки масштаба фотошаблона со стороны заказчика. После сверки масштаба был подтверждён запуск ПП в производство.
После изготовления основания ПП на неё устанавливаются компоненты схемы.
Для установки компонентов на печатную плату необходимо передать информацию по компонентам на станок. Рассмотрим ход трансляции данных на примере станка Mechatronica M60. Для того, чтобы передать в его память координаты компонентов, нужно во-первых, в САПР Altium Designer выбрать пункт File, затем «Assembly outputs → Generates pick and place files». Отметить пункт «CSV», затем нажать OK. И, во-вторых, в основном окне управляющей программы станка Mechatronica M60 выполнить следующую последовательность действий:
1. Создать новый файл нажатием кнопки F2, а затем выбрать «Yes».
2. Для определения координат платы последовательно нажимать кнопки «Pcb Position → Set → Teach In→ значок перекрестия».
3. Для измерения высоты платы относительно вакуумного захвата последовательно нажимать кнопки «Surface → Measure → значок перекрестия → OK».
4. Для задания реперных точек последовательно нажимать пункты меню «First Fiducal → Train → значок перекрестия → OK. Second Fiducal → Train → значок перекрестия → OK».
5. Для проверки качества определения реперной точки нажимать «First Fiducal → Test → OK. Second Fiducal → Test → OK».
6. Для определения положения компонентов в питателе нажать Feeders, затем выбрать питатель. Нажать правую кнопку мыши, затем «Set pickup position → OK → Teach in → OK».
7. Для измерения высоты компонента относительно вакуумного захвата нажать правую кнопку мыши, «Set pickup height → OK → Measure → OK».
8. Повторить пп. 6-7 для всех остальных компонентов. Отображение используемых компонентов в окне программы показано в табл. 1.
9. Для задания типоразмера захватываемого компонента на строчке питателя сделать щелчок правой кнопкой мыши (ПРКН) и выбрать пункт «Load component». Затем выбрать компонент из библиотеки. Если данный компонент в библиотеке отсутствует, то следует выбрать похожий на него, и изменить его параметры по щелчку правой кнопки мыши.
10. Для задания координат расстановки компонентов на вкладке Program в Parts placement нужно выбрать пункт «Import Protel CSV», затем нажать «Next».
11. Для расстановки компонентов в автоматическом режиме во вкладке «Package assignment» на компоненте нажать ПРКН, затем выбрать «Assign package». Далее выбрать в списке не компонент, а только типоразмер. Затем нажать на строчке с компонентом правую кнопку мыши и выбрать пункт «Get PCB offset». Далее установить компонент, нажать «Next  → OK».
12.  Если требуется внести изменения в программу, то следует нажать на вкладке Feeders правую кнопку мыши и выбрать пункт «Change components». Затем следует выбрать компонент, который уже должен определиться из файла.
13.  Для изменения расположения компонентов в питателях на каждом компоненте нужно нажать ПРКН, затем выбрать «Edit» и указать, какой это компонент в питателе.

 

Таблица 1. Отображение используемых компонентов в окне программы

O15

O14

O13

O12

Res 1,5 K

0,68 µF

15 pF

 

Нанесение пасты на ПП производится посредством специального трафаретного принтера. Для работы с заданной ПП принтеру требуется трафарет, созданный для этой ПП. В рассматриваемом примере трафарет был создан по субподряду. Для получения данных о контактных площадках по пункту меню «Fabrication outputs → Gerber files» на вкладке «Layers» был выбран слой разработанной ПП «Top Solder».
После этого осуществляется сборка ПП на автоматизированном оборудовании (рис. 7).

 

Рис. 7. Работа на автоматизированном оборудовании

Для завершения сборки необходимо оплавление паяльной пасты в конвекционной печи, промывка в ультразвуковой ванне и визуальный контроль качества пайки на стереоувеличителе. Эти операции являются типовыми и не привязаны к конкретному оборудованию.
В результате проделанной работы был сформулирован подробный алгоритм сборки печатной платы, предназначенный для обучения навыкам печатного монтажа и позволяющий полностью осознать данный технологический процесс. Сведения о технологиях могут измениться к тому моменту, когда студенты получат дипломы и приступят к работе. Поэтому для решения технологических задач очень важно умение работать с автоматизированным оборудованием и использовать информационную среду.

Литература
1. ЗАО НПФ «Диполь» Установщик компонентов MECHATRONIKA — M50/60 [Текст] / ЗАО НПФ «Диполь»; 2006 г.; — СПб, ЗАО НПФ «Диполь».
2. Сабунин А. Е. Altium Designer. Новые решения в проектировании электронных устройств. / А. Е. Сабунин; СОЛОН-ПРЕСС, 2009. — 432 с.; — Москва: СОЛОН-ПРЕСС: — УДК 621.397.
3. Суходольский В.Ю. Сквозное проектирование функциональных узлов РЭС на печатных платах в САПР Altium Designer 6. Часть 1. и 2: Учебное пособие. / В.Ю. Суходольский; Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2008. — 148 с.; — Спб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2008. 148 с.
4. Указания по подготовке данных из САПР в Gerber-формате [Электронный ресурс]: официальный сайт компании «Резонит» — Режим доступа: http://rezonit.ru/urgent/howto/, свободный.
5. Каталог электронных компонентов [Электронный ресурс]: официальный сайт поисковой системы — Режим доступа:http://www.rct.ru/catalogue/40/132/1923/1926/, свободный. Яз. рус.(дата обращения — 30.11.2011)

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *