Разработка процесса изготовления печатной платы
1. Введение.
2. Назначение устройства.
3. Конструктивные особенности и эксплуатационные требования.
4. Выбор типа производства.
4.1. Сравнительные характеристики методов производства и обоснование применяемого в данном проекте.
5. Составление блок-схемы ТП изготовления печатной платы.
6. Выбор материала, оборудования, приспособлений.
7. Описание техпроцесса.
Приложение 1: Перечень элементов.
Приложение 2: Маршрутные карты ТП.
МТКП. 420501.000 ПЗ
Лист
2
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
1. Введение.
В техническом прогрессе ЭВМ играют значительную роль: они значительно облегчают работу человека в различных областях промышленности, инженерных исследованиях, автоматическом управлении и т.д.
Особенностями производства ЭВМ на современном этапе являются:
* Использование большого количества стандартных элементов. Выпуск этих элементов в больших количествах и высокого качества – одно из основных требований вычислительного машиностроения. Массовое производство стандартных блоков с использованием новых элементов, унификация элементов создают условия для автоматизации их производства.
* Высокая трудоёмкость сборочных и монтажных работ, что объясняется наличием большого числа соединений и сложности их выполнения вследствие малых размеров.
* Наиболее трудоёмким процессом в производстве ЭВМ занимает контроль операций и готового изделия.
* Основным направлением при разработке и создании печатных плат является широкое применение автоматизированных методов проектирования с использованием ЭВМ, что значительно облегчает процесс разработки и сокращает продолжительность всего технологического цикла.
Основными достоинствами печатных плат являются:
* Увеличение плотности монтажа и возможность микро-миниатюризации изделий.
* Гарантированная стабильность электрических характеристик.
* Повышенная стойкость к климатическим и механическим воздействиям.
* Унификация и стандартизация конструктивных изделий.
* Возможность комплексной автоматизации монтажно-сборочных работ.
*
МТКП. 420501.000 ПЗ
Лист
3
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
2. Назначение устройства.
Данный раздел является связующим между разработкой принципиальной электрической схемы и воплощением этой схемы в реальную конструкцию. Проектируемое устройство предназначено для выполнения операции выравнивания порядков перед сложением чисел. Данная операция производится над числами с плавающей запятой в дополнительном коде. В современных ЭВМ одним из основных элементов является блок АЛУ, которое осуществляет арифметические и логические операции над поступающими в ЭВМ машинными словами. Одной из них является операция выравнивания порядков.
МТКП. 420501.000 ПЗ
Лист
4
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
3. Конструктивные особенности и эксплуатационные требования. ТЭЗ является составной частью ЭВМ – модулем второго уровня. В ЕС ЭВМ используют 5 модульных уровней, которые могут автономно корректироваться, изготавливаться и налаживаться. Каждому модульному уровню соответствует типовая конструкция, построенная по принципу совместимости модуля предыдущего с модулем последующим. Модули первого уровня: ИМС, осуществляющая операции логического преобразования информации. Модули второго уровня. ТЭЗ типовые элементы замены или ячейки. Связующей основой которых, является ПП - печатная плата. Модули третьего уровня – панели (блоки), которые с помощью плат или каркасов объединяют ТЭЗы или ячейки в конструктивный узел. На этом уровне может быть получена самостоятельно действующая мини-ЭВМ. Модули четвертого уровня - рамы или каркасы. Модули пятого уровня – объединение в стойки и шкафы. Условия эксплуатации ЭВМ могут быть различными, они зависят в основном от климатических воздействий, которые необходимо учитывать при выборе материалов и конструктивных особенностей ЭВМ, кроме того, они определяют программу и объём контрольных испытаний. Для определения влияния окружающей среды на работу ЭВМ рассматривают следующие зоны климата: умеренную, тропическую, арктическую, морскую. Для ракетной и космической аппаратуры учитывают специфику больших высот. Данное устройство по условиям технического задания будет эксплуатироваться в условиях с повышенной температурой. Следовательно, в методике испытаний необходимо предусмотреть испытания на теплостойкость и тепло прочность. Исходя из этого наиболее подходящим, является способ изготовления устройства на печатной плате (ТЭЗ 2го уровня) с расположенными на плате микросхемами 555 серии. Так как печатная плата обладает большой поверхностью и будет быстрее охлаждаться, она имеет преимущество перед другими технологиями.
МТКП. 420501.000 ПЗ Лист
5
Изм. Лист № документа Подпись Дата
* 4. Выбор типа производства. Типы производства: (Таблица 1.) Единичным называется такое производство, при котором изделие выпускается единичными экземплярами. Характеризуется: Малой номенклатурой изделий, малым объёмом партий, Универсальным оснащение цехов, Рабочими высокой квалификации. Серийное – характеризуется ограниченной номенклатурой изделий, изготавливаемых повторяющимися партиями сравнительно небольшим объёмом выпуска. В зависимости от количества изделий в партии различают: мелко средне и крупно серийные производства. Универсальное – использует специальное оборудование, которое располагается по технологическим группам, Техническая оснастка универсальная, Квалификация рабочих средняя. Массовое производство характеризуется: узкой номенклатурой и большим объёмом изделий, изготавливаемых непрерывно; использованием специального высокопроизводительного оборудования, которое расставляется по поточному принципу. В этом случае транспортирующим устройством является конвейер. Квалификация рабочих низкая. Также различной может быть серийность: (Таблица 2.)
Таблица 1.Тип Производства Количество обрабатываемых в год изделий одного наименования
Крупное. Среднее. Мелкое.
Единичное До 5 До 10 До 100
Серийное 5-1000 10-5000 100-50000
Массовое >1000 >5000 >50000
Таблица 2.
Серийность. Количество изделий в год.
Крупные. Средние. Мелкие.
Мелкосерийное 3-10 5-25 10-50
Среднесерийное 11-50 26-200 51-500
Крупносерийное >50 >200 >500
В зависимости от габаритов, веса и размера годовой программы выпуска изделий определяется тип производства. Тип производства и соответствующие ему формы организации работ определяют характер технологического процесса и его построение. Так как по условию технического задания объём производства равен 100 изделиям в год, то производство должно быть среднесерийным.
МТКП. 420501.000 ПЗ Лист
6
Изм. Лист № документа Подпись Дата
4.1 Сравнительные характеристики методов производства и обоснование применяемого в данном проекте. Достоинствами ПП являются: +увеличение плотности монтажа. +Стабильность и повторяемость электрических характеристик. +Повышенная стойкость к климатическим воздействиям. +Возможность автоматизации производства. Все ПП делятся на следующие классы: 1. Опп – односторонняя печатная плата. Элементы располагаются с одной стороны платы. Характеризуется высокой точностью выполняемого рисунка. 2. ДПП – двухсторонняя печатная плата. Рисунок распологается с двух сторон, элементы с одной стороны. ДПП на металлическом основании используються в мощных устройствах. 3. МПП – многослойная печатная плата. Плата состоит из чередующихся изоляционных слоев с проводящим рисунком. Между слоями могут быть или отсутствовать межслойные соединения. 4. ГПП - гибкая печатная плата. Имеет гибкое основание, аналогична ДПП. 5.ППП - проводная печатная плата. Сочетание ДПП с проводным монтажом из изолированных проводов. Достоинства МПП: + Уменьшение размеров, увеличение плотности монтажа. + Сокращение трудоёмкости выполнения монтажных операций. Недостатки МПП: Более сложный ТП. По условиям технического задания устройство состоит из 53 микросхем. Следовательно, печатная плата должна быть многослойной. Существует 3 метода изготовления многослойных печатных плат: 1. Металлизация сквозных отверстий. Данный метод основан на том, что слои между собой соединяются сквозными, металлизированными отверстиями. Достоинства: Простой ТП. Высокая плотность монтажа. Большое колличество слоёв.
МТКП. 420501.000 ПЗ Лист
7
Изм. Лист № документа Подпись Дата
2. Попарное прессование. Применяется для изготовления МПП с четным количеством слоёв. Достоинства: Высокая надёжность. Простота ТП. Допускается установка элементов как с штыревыми так и с планарными выводами. 3. Метод послойного наращивания. Основан на последовательном наращивании слоёв. Достоинства: Высокая надёжность. Мпп изготавливают методами построенными на типовых операциях используемых при изготовлении ОПП и ДПП. Исходя из соображений технологичности производства, я выбираю метод металлизации сквозных отверстий, так как он наиболее подходит к выбранной мною схеме среднесерийного производства. Так как на среднесерийном производстве используется автоматизация производства, для разработки чертежей платы я использовал программы автоматической трассировки P-CAD, которая создала 4 слоя платы размером 160?180 мм. Из этого получается один двухсторонний слой и два односторонних слоя для внешних слоёв. Выходные файлы системы P-CAD позволяют значительно автоматизировать дальнейший технологический процесс в таких сложных операциях как сверление межслойных отверстий.
МТКП. 420501.000 ПЗ Лист
8
Изм. Лист № документа Подпись Дата
5. Составление блок схемы типового техпроцесса. Правильно разработанный ТП должен обеспечить выполнение всех требований, указанных в чертеже и ТУ на изделие, высокую производительность. Исходными данными для проектирования технологического процесса являются: чертежи детали, сборочные чертежи, специализация деталей, монтажные схемы, схемы сборки изделий, типовые ТП. Типовой ТП характеризуется единством содержания, и последовательностью большинства технологических операций для группы изделий с общими конструктивными требованиями. Типовой ТП разрабатываемый с учётом последних достижений науки и техники, опыта передовых производств, что позволяет значительно сократить цикл подготовки производства и повысить производительность за счёт применения более совершенных методов производства. При изготовлении ЭВМ и их блоков широко применяют прогрессивные типовые ТП, стандартные технологические оснастки, оборудование, средства механизации и автоматизации производственных процессов. Учитывается информация о ранее разработанных технологических процессах, особенностях и схемы изделия, типе производства. Печатные платы – элементы конструкции, которые состоят из плоских проводников в виде покрытия на диэлектрическом основании обеспечивающих Соединение электрических элементов. Достоинствами печатных плат являются: Увеличение плотности монтажных соединений и возможность микро миниатюризации изделий. Гарантированная стабильность электрических характеристик Повышенная стойкость к климатическим и механическим воздействиям. Унификация и стандартизация. Возможность комплексной автоматизации монтажно-сборочных работ. Заданное устройство будет изготавливаться по типовому ТП. Так как он полностью соответствует моим требованиям.
МТКП. 420501.000 ПЗ Лист
9
Изм. Лист № документа Подпись Дата
5.1 Блок схема типового техпроцесса.
МТКП. 420501.000 ПЗ Лист
10
Изм. Лист № документа Подпись Дата
5.2 Описание ТП. Метод металлизации сквозных отверстий применяют при изготовлении МПП. Заготовки из фольгированного диэлектрика отрезают с припуском 30 мм на сторону. После снятия заусенцев по периметру заготовок и в отверстиях, поверхность фольги защищают на крацевальном станке и обезжиривают химически соляной кислотой в ванне. Рисунок схемы внутренних слоёв выполняют при помощи сухого фоторезиста. При этом противоположная сторона платы должна не иметь механических повреждений и подтравливания фольги. Базовые отверстия получают высверливанием на универсальном станке с ЧПУ. Ориентируясь на метки совмещения, расположенные на технологическом поле. Полученные заготовки собирают в пакет. Перекладывая их складывающимися прокладками из стеклоткани, содержащими до 50% термореактивной эпоксидной смолы. Совмещение отдельных слоёв производится по базовым отверстиям. Прессование пакета осуществляется горячим способом. Приспособление с пакетами слоёв устанавливают на плиты пресса, подогретые до 120…130?С. Первый цикл прессования осуществляют при давлении 0,5 Мпа и выдержке15…20 минут. Затем температуру повышают до 150…160?С, а давление – до 4…6 Мпа. При этом давлении плата выдерживается из расчёта 10 минут на каждый миллиметр толщины платы. Охлаждение ведётся без снижения давления. Сверление отверстий производится на универсальных станках с ЧПУ СМ-600-Ф2. В процессе механической обработки платы загрязняются. Для устранения загрязнения отверстия подвергают гидроабразивному воздействию. При большом количестве отверстий целесообразно применять ультразвуковую очистку. После обезжиривания и очистки плату промывают в горячей и холодной воде. Затем выполняется химическую и гальваническую металлизации отверстий. После этого удаляют маску. Механическая обработка по контуру, получение конструктивных отверстий и Т.Д. осуществляют на универсальных, координатно-сверлильных станках (СМ-600-Ф2) совместимых с САПР. Выходной контроль осуществляется атоматизированным способом на специальном стенде, где происходит проверка работоспособности платы, т.е. её электрических параметров.
МТКП. 420501.000 ПЗ Лист
11
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Входной контроль осуществляется по ГОСТ 10316-78 Нарезка заготовок осуществляется станком с ЧПУ СМ-60-Ф2, потому, что этот станок управляется программой совместимой с системой P-CAD Подготовка поверхности фольгированного диэлектрика: в данную операцию входят две подоперации, одна из них механическая обработка (это обработка с помощью абразивных материалов) и химическая (это обработка с помощью химикатов). На этом этапе заготовка очищается от грязи, окислов, жира и др. веществ. Получение рисунка схемы. Данная операция основана на фотохимическом методе получения рисунка из-за того, что для данной ПП требуется высокая точность исполнения рисунка. В этой операции содержится 3 операции: нанесение ФР (ФР выбирается сухой, т.к. требуется высокая точность), экспонирование (здесь заготовка проходит через мощное УФ излучение, в процессе чего незащищенный слой ФР засвечивается, и полимеpизyется) и промывка заготовки в воде (для снятия засвеченного ФР). Травление меди с пробельных мест. Данная операция основана на вытравливании незащищенной поверхности фольгированного ДЭ химическим методом. После травления снимается ФР с защищенной поверхности, затем проводится промывка от химикатов и сушка. После всего этого делается контроль. Проверяется пpотpавленность фольги, сверяется с контрольным образцом. В операции сверления базовых и крепежных отверстий используется сверлильно-фрезерный станок CМ-600-Ф2 со сверлом D=3mm. Проделываются 4 отверстия для совмещения слоев платы. Прессование слоев. Формируется пакет из 3х слоёв, слои совмещаются по базовых отверстиям, затем укладывается в пресс-форму и прессуется. Затем производится сушка всего этого пакета. Прессование производится автоматической линией, что обеспечивает полностью автоматизированное прессование. Операция образование межслойных и монтажных отверстий. Эта операция производиться на станке с ЧПУ CМ-600-Ф2. После образование отверстий требуется очистить плату и края отверстий от заусенцев и прилипших крошек стеклотекстолита. Эта операция производиться гидроабразивным методом. Затем идет подтравливание диэлектрика, промывка от химикатов и сушка. По окончанию производиться контроль на правильность расположения отверстий и их форма. После идет операция УЗ промывки, сенсибилизация и активация поверхности отверстий. После этого на авто операторной линии АГ-38 идет операция химического мед нения. Этим добиваются нанесения на поверхность отверстий тонкого слоя меди.
МТКП. 420501.000 ПЗ Лист
12
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Затем идет операция гальванического осаждения меди. Операция проводиться на авто операторной линии АГ-44. На тонкий слой осаждается медь до нужной толщины. После этого производится контроль на толщину меди и качество её нанесения. Далее производиться обработка по контуру ПП. Эта операция производиться на станке CМ-600-Ф2 с насадкой в виде дисковой фрезы по ГОСТ 20320-74. В этой операции удаляется ненужный стеклотекстолит по краям платы и подгонка до требуемого размера. Затем методом сеткографии производиться маркировка ПП. операция производиться на станке CДC-1, который требуемым штампом произведет оттиск на ПП маркировки. Весь цикл производства ПП заканчивается контролем платы. Здесь используется автоматизируемая проверка на специальных стендах. Применяемое оборудование и режимы его использования сведены в таблицу3
МТКП. 420501.000 ПЗ Лист
13
Изм. Лист № документа Подпись Дата
6.Выбор материала. Для производства Многослойных печатных плат используются различные стеклотекстолиты. Так как по условию моего технического задания устройство должно работать в условиях с повышенной температурой для производства внутренних слоёв платы я использую двухсторонний фольгированный стеклотекстолит с повышенной теплостойкостью СТФ-2. Для внешних слоёв печатной платы я использую аналогичный односторонний фольгированный стеклотекстолит с повышенной теплостойкостью СТФ-1. Основные характеристики: Фольгированный стеклотекстолит СТФ: Толщина фольги 18-35 мм. Толщина материала 0.1-3 мм. Диапазон рабочих температур –60 +150 с?. Напряжение пробоя 30Кв/мм. Фоторезист СПФ2: Тип негативный. Разрешающая способность 100-500. Проявитель метилхлороформ. Раствор удаления хлористый метилен.
МТКП. 420501.000 ПЗ Лист
14
Изм. Лист № документа Подпись Дата
Таблица 3
Операция Оборудование Приспособления Материал Инструменты Режимы
1 Входной контроль Контрольный стол Бязь Спирт Лупа
2 Нарезка заготовок слоёв Универсальный станок СМ-600Ф2 Дисковая фреза ГОСТ 20321-74 Стеклотекстолит фольгированный 200-600 об/мин скорость подачи 0,05-0,1 мм
3 Подготовка поверхности слоёв Крацевальный станок, ванна Соляная кислота 30?-40? T=2-3 Мин
4 Получение рисунка схемы слоёв Установка экспонирования, Ванна Ламинатор Сухой фоторезист СПФ2 Т=1-1,5 Мин
5 Травление меди (набрызгиванием) Ванна Ротор 40?с. 12 Мин
6 Удаление маски Установка струйной очистки Горячая вода 40?-60?
7 Создание базовых отверстий Универсальный станок СМ-600Ф2 Сверло ?3мм Программа ЧПУ Координатор V=120 об/мин
8 Подготовка слоёв перед прессованием Автооператорная линия АГ-38 Стеклоткань с 50% термореактивной смолы
9 Прессование слоёв МПП Установка горячего прессования Координатор 120-130?С. 0,5 Мпа 15-20 мин
10 Сверление отверстий Универсальный станок СМ-600Ф2 Сверло ?1мм Координатор V=120 об/мин
11 Подготовка поверхности перед металлизацией Установка УЗ очистки. 18-20 КГц
12 Химическая металлизация отверстий Ванна Рамка крепления Медь сернокислая CuSo4x5H2O
13 Гальваническая металлизация отверстий Гальваническая ванна Рамка крепления Сернокислый электролит
14 Обрезка плат по контуру Универсальный станок СМ-600Ф2 Дисковая фреза ГОСТ 20321-74
15 Маркировка и консервация Установка сеткографии СДС-1 Штамп
16 Выходной контроль Установка автоматизированного контроля. Программное обеспечение