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 2 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».

кандидат технических наук, доцент

Научный руководитель Давлетчин Дамир Исхакович доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Лёгкий Николай Михайлович кандидат технических наук Старченко Сергей Анатольевич МИТХТ им. М.В. Ломоносова

Ведущая организация

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 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.

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 Всероссийской 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, гг.); 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.

Личный 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 годов. 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:

где 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 микросхем Площадь ПП, Коэффициент площади ПП, КS Коэффициент повторяемости микросхем и микросборок, Коэффициент автоматизации и 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.

Формирование окон в париленовом слое над контактными площадками Совмещение свободной маски и подложки Формирование проводящего рисунка комбинированным позитивным методом 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),