ЛЕКЦИИ КОНСТРУКТОРСКОЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЭВМ С.Г. Патрушев ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ ЭВМ ПОКАЗАТЕЛИ КОНСТРУКЦИИ ЭА Большое разнообразие имеющихся в эксплуатации и на рынке ЭВМ требует от разработчиков этого вида техники знания наборов показателей, по которым можно сравнивать существующие модели ЭА с разрабатываемой. С ними непосредственно связаны параметры, характеризующие ЭА как объект конструкторско-технологической разработки: Сложность конструкции ЭА (1) СЭВМ=К1(K2NЭ+К3МС ), Где NЭ — число составляющих ЭА элементов; МС — число соединений; К1, К2 и К3 — масштабный и весовые коэффициенты, соответственно. Выражение СЭВМ=К1(K2NЭ+К3МС ), (1) связывает число составля.щих ЭА интегральных микросхем, полупроводниковых приборов, электрорадиоэлементов, элементов коммутации с числом разъемных и неразъемных соединений между ними, что определяет габариты, массу, надежность и другие общие параметры ЭА. Число элементов, образующих ЭА, Ny NЭ j 1 Kn n i 1 (2) ji где Ny — число устройств в ЭА; Kn — число типов применяемых элементов; nji — число элементов i -типа, входящего в j -устройство. Объем ЭА V=VN+VC+VK+Vут, где VN —общий объем интегральных микросхем и электрорадиоэлементов; VC — объем, занимаемый всеми видами соединений; VK — объем, несущей конструкции, обеспечивающей прочность и защиту ЭА при транспортировке и эксплуатации; Vут — объем теплоотводящего устройства. 1 Коэффициент интнеграции или коэффициент использования физического объема qи =Vn/V характеризует степень использования физического объема ЭА элементами, выполняющими полезную функциональную нагрузку, т.е. непосредственно определяющими электрическую схему ЭА (qи всегда меньше 1 и приближается к ней с использованием больших интегральных схем). Общая масса ЭА, определяемая как сумма масс, входящих в состав ЭА устройств: m-mN+mC+mн+mут, (обозначения в индексах аналогичны обозначениям в выражении 1). Общая мощность потребления ЭА Nj P pj , j 1 где Pij — мощность потребления j -устройства. Общая площадь, занимаемая ЭА, Ny S sj , j 1 где sj — площадь, требуемая для эксплуатации j-устройства ЭА. Собственная частота колебаний конструкции (элемента, устройствы или всей ЭА): 1 2 f0 K m , где K — коэффициент жесткости конструкции; m — масса конструкции ЭА. Степень герметичности конструкции ЭА, определяемая количеством газа, истекающего из определённого объема конструкции за известный отрезок времени: D V0 сл P , где V0 — объем герматизированной части ЭА; τсл — срок службы ЭА; ΔP — избыточное давление газа в конструкции ЭА. Вероятность безотказной работы ЭА p(t) и средняя наработка на отказ Tср — показатели надежности ЭА. Степень унификации ЭА K ун N ун Nэ , где Nун — количество унифицированных элементов, а Nэ — общее количество элементов в ЭА. Коэффициент автоматизации конструкторских работ Ka Ma M , 2 где Ma — количество конструкторских работ, выполненных с применением ЭВМ; M — общее число конструкторских работ при проектировании. Важным, определяющим большинство эксплуатационных, конструкторских и экономических характеристик, является технологичность. ВИДЫ ИЗДЕЛИЙ ДЕТАЛЬ, СБОРОЧНАЯ ЕДИНИЦА, КОМПЛЕКС, КОМПЛЕКТ. Изделием называют любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии. Различают изделия основного производства, предназначенные для поставки (реализации), и изделия вспомогательного производства, предназначенные для собственного потребления предприятием-изготовителем. ГОСТ устанавливает следующие виды издений: детали, сборочные единицы, комплексы, комплекты. Деталь — изделие, не имеющее составных частей и изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций. К деталям относят также неразъемные изделия, изготовленные с применением местной сварки, пайки, склеивания и т.д. Примеры деталей: печатная плата, ферритовый сердечник, лепесток разъема, держатель транзистора и т.д. Сборочная единица — изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятиии-изготовителе сборочными операциями (свинчиванием, сочленением, клепкой, сваркой, пайкой, опрессовкой, развальцовкой, склейкой, сшивкой и т.п.). Пример сборочных единиц: Ячейка, матрица ЗУ, микросхема, разъем и т.д. Комплекс — Изделие, составленное из двух и более сборочных единиц, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций. Каждое из изделий, входящих в комплекс, может служить для выплнения одной или нескольких основных функций, так и для выполнения вспомогательных функций. В первом случае примером комплекса являеися система, состоящая из ЭВМ, входных и выходных устройств, изготавливаемых на специализированных предприятиях-изготовителях и стыкующихся с остальными устройствами машины только на месте эксплуатации. Во втором случае в комплекс могут входить, например, детали и сборочные единицы, предназначенные для монтажа, ремонта и эксплуатации ЭВМ по месту установки: комплект запасных частей, укладочных средств, испытательной аппаратуры, тары и т.д. Комплект — два или более изделий, не соединенных на предприятииизготовителе сборочными операциями, но имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера. К комплектам относят также деталь или сборочную единицу, поставляемую вместе с набором других деталей или сборочных единиц, предназначенных для выполнения вспомогательных функций при эксплуатации этой детали или сборочной единицы (например, осциллограф в комплекте с укладочной тарой, запасными частями, монтажным инструментом, сменными частями). Комплектующее изделие — изделие предприятия-поставщика, применяемое как составная часть изделия, выпускаемого другим предприятием. 3 Неспецифицированные изделия — детали, не имеющие составных частей. Специфированные изделия — сборочные единицы, комплексы, комплекты, имеющие с своем составе две или более составные части. Покупные изделия — изделия, не изготовляемые на данном предприятии, а получаемые им в готовом виде. Полуфабрикат — изделие предприятия-поставщика, подлежащее дополнительной обработке или сборке. Заготовка — предмет производства, из которой изменением формы, размеров, шероховатости поверхности и свойств материала изготовляют деталь или нерозъемную сборочную единицу. Исходная заготовка — заготовка перед первой технологической операцией. Основной материал — материал исходной заготовки. Вспомогательный материал — материал, расходуемый при выполнении технологического процесса. Производственная партия — группа заготовок одного наименования и типоразмера, запускаемая в обработку одновременно или непрерывно в течение определенного интервала времени. Качество продукции — совокупность свойств продукции (изделий), обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением. Технологичность конструкции изделия (технологичность конструкции) — совокупность свойств конструкции изделия, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте по сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкций изделий того же назначения при обеспечении установленных значений показателей качества и принятых условий изготовления, эксплуатации и ремонта. По ГОСТ 18831-73 различают технологичность 1) прооизводственную; 2) эксплуатационную; 3) при техническом обслуживании; 4) ремонтную; 5) заготовки; 6) детали; 7) сборочной единицы; 8)по процессу изготовления; 9) по форме поверхности; 10) по размерам; 11) по материалам. Производственный процесс — совокупность всех действий людей и орудий производства, необходимых на данном предприятии для изготовления или ремонта выпускаемых изделий. Технологический процесс — часть производственного процесса, содержащая действия по изменению и последующему определению состояния предмета производства. Согласно ГОСТ 3.1109-73 технологический процесс бывает проектным, рабочим, единичным, типовым, стандартным, временным, перспективным, маршрутным, операционным, маршрутнооперационным. Рабочее место — часть производственной площади цеха, на которой размещается один или несколько исполнителей работы и обслуживаемая ими единица технологического оборудования или часть конвейра, а также оснастка и (на ограниченное время) предметы производства. Технологическая операция (операция) — законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте. 4 Установ — часть технологической операции, выполняемая при неизменном закреплении обрабатываемых заготовок или собираемой сборочной единицы. Позиция — фиксированное положение, занимаемое неизменно закрепленной обрабатываемой заготовкой или собираемой сьорочной единицей совместно с приспособлением относительно инструмента или неподвижной части оборудования для выполнения определенной части операции. Технологический переход (переход) — законченная часть технологической операции, характеризующаяяся постоянством применяемого инструмента и поверхностей, образуемых обработкой или соединяемых при сборке. Вспомогательный переход — законченная часть технологической операции, состоящая из действий человека или оборудования, которые не сопровождаются изменением формы, размеров, шероховатости поверхностей или свойств заготовки, но необходимых для выполнения технологического перехода. Рабочий ход — законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, сопровождаемого изменением формы, размеров, шероховатости поверхности или свойств заготовки. Вспомогательный ход — законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, не сопровождаемого изменением формы, размеров, шерожоватости поверхности или свойств заготовки, но необходимого для выполнония рабочего хода. Технологическое оборудование (оборудование) — орудия производства, в которых для выполнения определенной части технологического процесса размещаются материалы или заготовки, средства ывоздействия на них и при необходимости источники энергии. Технологическая оснастка — орудия производства, добавляемые к технологическому оборудованию для выполнения определенной части технологического процесса. Средства технологического оснащения — совокупность технологического оборудования, оснастки и средств механизации и автоматизации вспомогательных перехолов. Объем выпуска изделий — количество изделий определенных наименований, типоразмера и исполнения, изготовляемых или ремонтируемых объединением, предприятием или его подразделением в течение планируемого интервала времени. Единичное производство — производство, характеризуемое широкой номенклатурой изготовляемых или ремонтируемых изделий и малым объемом выпуска изделий. Серийное производство — производство, характеризуемое ограниченной номенклатурой изделий, изготовляемых иои ремонтируемых периодически повторяющимися партиями и сравнительно большим объемом выпуска. Массовое производство — производство, характеризуемое узкой номенклатурой и большим объемом выпуска изделий, непрерывно изготовляемых или ремонтируемых в течение продолжительного времени. Опытное производство — производство образцов, партий или серий изделий для проведения исследовательских работ или разработки кон5 структорской и технологической документации для устоявшегося производства. Поточная организация производства — форма организации производства, характеризуемая расположением средств технологического оснащения в последовательности выполнения операций технологического процесса и специализации рабочих мест. Групповая организация производства — форма организации производства, характеризуемая совместным изготовлением или ремонтом групп изделий различной конфигурации на специализированных рабочих местах. ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ ЭВМ ГОСТ 2.103-68 устанавливает следующие ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ на изделия всех отраслей промышленности: Техническое задание (ТЗ) устанавливает основное назначение, тактикотехнические характеристики (например, разрядность, быстродействие, объем памяти и т.д.), показатели качества и технико-экономические требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию; Техническое предложение — совокупность конструкторских документов, содержащих техническое и технико-экономическое обоснование целесообразности разработки изделия на основании технического задания заказчика и различных вариантов возможной реализации изделия, сравнительной оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующего изделий, а также патентных материалов; Технический проект — совокупность конструкторских документов, содержащих окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатяваемого изделия, и исходные данные для разработки рабочей документации; Разработка рабочей документации — совокупность конструкторских документов, предназначенных для изгротовления и испытания опытного образца (опытной партии) изделия. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС, ОПЕРАЦИЯ И ЕЕ СТРУКТУРА: УСТАНОВ, ПЕРЕХОД, ПОЗИЦИЯ И ДР. В зависимости от структуры ИМС и конструкции корпуса общее количество операций технологического процесса может достигать нескольких сот. Процесс охватывает разнообразные по физическим принципам методам контроля и технологическому оснащению методы обработки, причем характер связей между отдельными операциями во времени и пространстве также весьма различен. Изменения в процессе производства, связанные, например, с изменением структуры ИМС, увеличением диаметра полупроводниковых пластин, увеличением выхода годных ИМС, изменением объема выпуска ИМС и т.д., различным образом влияют на отдельные стадии производства ИМС. При этом с учетом непрерывного прогресса микроэлектроники организация производства ИМС по предметнозамкнутому принципу не является эффективной даже в условиях массового производства. Характерный пример: хранение пластин во время межоперационного периода, если его оптимизировать по организационному 6 принципу централизации, именно в условиях массового производства нарушит технологический процесс и вызовет поток массового брака. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ ИЗДЕЛИЯ Государственными стандартами РФ определен порядок разработки и постановки на производство продукции тезнического назначения в том числе и ЭА. В частности, Госстандартом установлены следующие стадии разработки: техническое предложение; эскизный проект; технический проект. Основой для разработки является техническое задание (ТЗ), содержание которого устанавливает ГОСТ. В Тзизлагается назначение и область применения разрабатываемого изделия, технические, конструктивные, эксплуатационные и экономические требования к изделию, условия по хранению, транспортированию, требования по надежности, правили по проведению испытаний и приёмки образцов в производстве. На стадии технических предложений проводится анализ сушествующих технических решений, патентные исследования, проработка возможных вариантов, выбор оптимального решения, макетирования отдельных узлов, выработка требований для последующих этапов разработки. На стадии эскизного проектирования осуществляют конструкторскую и техническую проработку выбранного варианта реаоизации изделия, изготавливается действующий образец или серия; проводится их испытания в объеме, достаточном для подтверждения заданных в ТЗ технических или эксплуатационных параметров; организуется разработка в полном объеме необходимой конструкторской документации, которой присваивается литера «Э»; прорабатываются основные вопросы технологии изготовления, наладки и испытания эдементов, узлов, устройств и аппаратуры в целом. На стадии технического проекта принимается окончательное решение о конструктивном оформлении аппаратуры и соствдяющих ее узлов, разрабатывается полный комплект конструкторской и технологической документации, которой присвеивается литера «Т», изготавливается опытная серия аппаратуры, проводятся испытания на соответствие заданным в ТЗ техническим и эксплуатационным требованиям. В последующем осуществляется технологическая подготовка производства, выпуск установочной серии и организация серийного (массового) выпуска аппаратуры. Стадии разработки ТЗ, технических предложений и эскизного проекта включаются, как правило, в научно-исследовательскую работу (НИР), а стадии разработки технического проекта и технологоческой подготовки производства — в опытно-конструкторскую разработку (ОКР). В последние годы применительно к продукции технического назначения используется термин жизненный цикл, под которым понимаются все этапы создания изделия, начиная с разработки ТЗ и кончая эксплуатацией готовых изделий с последующей утилизацией. Жизненный цикл аппаратуры, 7 разделенный на этапы ее разработки, изготовления и эксплуатации, представлен на рис.1.1. Здесь к эскизному проектированию можно отнести этапы 1-6, к техническому проекту — этапы 7-19. В двойную рамку на рис.1.1 заключены те этапы, полное или частичное выполнение которых зависит от участия в их выполнении специалистов-конструкторов и специалистов-технологов. Всё вышесказанное относится к вновь создаваемой аппаратуре, основанной на использовании принципиально новых технических решений. В настоящее время в связи с развитием предприятий, специализирующихся на разработке отдельных узлов и устройств ЭА, появилась возможность существенного сокращения временных и трудовых затрат на создание крупносерийных или массовых изделий (так называемая сборочная или «отверточная» технология). В этом случае разработчикам ЭА необходимо тщательно подбирать комплектующие изделия, чтобы созданная ими аппаратура была технологичной в изготовлении, удобной в эксплуатации и конкурентоспособной, а также выполнить ряд работ, предусмотренных стандартным процессом разработки, например, выпуск документации, проведение испытаний и т.д. С развитием сети INTERNET широкие возможности для создателей ЭА открывает CALLS-технология (Computer-Aided of Logistics Support) — стратегия промышленности, направленная на эффективное создание, обмен, управление и использование баз данных, поддерживающих жизненный цикл создаваемого изделия. ГОСТ 2.103-68 устанавливает следующие ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ на изделия всех отраслей промышленности: Техническое задание (ТЗ) устанавливает основное назначение, тактикотехнические характеристики (например, разрядность, быстродействие, объем памяти и т.д.), показатели качества и технико-экономические требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию; Техническое предложение — совокупность конструкторских документов, содержащих техническое и технико-экономическое обоснование целесообразности разработки изделия на основании технического задания заказчика и различных вариантов возможной реализации изделия, сравнительной оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующего изделий, а также патентных материалов; Технический проект — совокупность конструкторских документов, содержащих окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатяваемого изделия, и исходные данные для разработки рабочей документации; Разработка рабочей документации — совокупность конструкторских документов, предназначенных для изгротовления и испытания опытного образца (опытной партии) изделия. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ На всех этапах жизненного цикла (разработка-производствоэксплуатация) ЭА сопровождает техническая документация (ТД). Состав этой документации и её содержание регламентируется Государственными 8 стандартами. В настоящее время в стране действует большое количество стандартов, которые сгруппированы по направлениям жизненного цикла изделий в следующие комплексы: единая система конструкторской документации (ЕСКД); единая система технологической документации (ЕСТД); единая система программной документации (ЕСПД); единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП); единая система защиты материалов от коррозии, старения и биоповреждений (ЕСЗКС) и др. Основная задача стандартизации — обеспечить единую нормативнотехническую, информациенную, методическую и организационную основу проектирования, производства и эксплуатации изделий. При этом обеспечивается использование единого технического языка и терминологии, взаимообмен документацией между предприятиями без её переоформления, совершенствование организации проектных работ, возможность аптоматизации разработки ТД с унификацией машинно-ориентированных форм документов, совершенствование способов учета, хранения и изменения документации и др. ЕДИНАЯ СИСТЕМА КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ Государственные стандарты, входящие в ЕСКД, устанавливают взаимосвязанные единые правила и положения по порядку разработки и обращения конструкторской документации на изделия, разрабатываемые и выпускаемые продприятиями всех отраслей промышленности. Конструкторские документы (КД) — графические и текстовые документы, в отдельности или в совокупности определяющие состав и устройство изделия и содержащие необходимые данные для его разработки и изготовления, контроля, приёмки, эксплуатации, ремонта, утилизации. Стандартам ЕСКД присваиваются обозначения по классификационному принципу. Номер стандарта составляется из цифры, присвоенной классу стандартов ЕСКД, одной цифры после точки, обзначающей классификационную группу стандартов в соответствии с Таблица 1, числа, определяющего порядковый номер стандарта в данной группе, и двухзначной цифры (после тире), указывающей год регистрации стандарта. Например, обозначение стандарта ЕСКД «ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению» имеет вид: ГОСТ 2.701—84, т.е. ГОСТ — категория нормативно-технического документа (государственный стандарт), 2 — класс (стандарты ЕСКД), 7 — классификационная группа стандартов, 01 — порядковый номер стандарта в группе, 84 — год регистрации стандарта. Таблица 1. Классификационные группы стандартов в ЕСКД Шифр груп 0 1 2 3 4 5 Содержание стандартов в группе Общие положения Основные положения Классификация и обозначения изделий в КД Общие правила выполнения чертежей Правила выполнения чертежей изделий машиностроения и приборосроения Правила обращения КЖ (учет, хранение, дублирова9 ние, внесение изменений) Правила выполнения эксплуатационной и ремонтной 6 документации 7 Правила выполнения схем Правила выполнения документов строительных, судо8 строительных и горных дел 9 Прочие стандарты К графическим конструкторским документам относятся: чертеж детали — изображение детали и другие данные, необходимые для её изготовления и контроля; сборочный чертёж (СБ) — избражение сборочных единиц и другие детали, необходимые для сборки и контроля; чертёж общего вида (ВО) — определяет конструкцию изделия, взаимодействие его основных частей и поясняет принцип работы изделия; габаритный чертёж (ГЧ) — контурное изображение изделия с габаритами, установочными и присоединительными размерами; электромонтажный чертёж (ЭМ) — данные для электрического монтажа изделия; монтажный чертёж (МЧ) — контурное изображение изделия и данные для нго установки на месте эксплуатации; установочный чертёж (УЧ) — данные для установки изделия; схема — составные части изделия в виде условных изображений или обозначений и связи между ними. К текстовым конструкторским документам относятся: спецификация — определяет состав сборочной единицы, комплекса, комплекта; ведомость спецификаций (ВС) — перечень всех спецификаций составных частей изделия с указанием их количества и входимости; ведомость ссылочных документов (ВД) — перечень документов, на которые имеются ссылки в КД на изделие; ведомость покупных изделий (ВП) — перечень покупных изделий, применяемых в разрабатываемом изделии; ведомость разрешений применения покупных изделий (ВИ) — перечень покупных изделий, разрешенных к применению по ГОСТу; ведомость держателей подлинников (ДП) — перечень организаций — хранителей подлинников примененных в изделии документов; ведомость технического предложения (ВТ) — перечень документов, вошедших в техническое предложение; ведомость эскизного проекта (ЭП) — перечень документов, вошедших в эскизный проект; ведомость технического проекта (ТП) — перечень документов, вошедших в технический проект; пояснительная записка (ПЗ) — описание устройства и принципа действия разработанного изделия, а также обоснование разработки; технические условия (ТУ) — требования к изделию, его изготовлению, контролю качества, приёмке и поставке; программа и методика испытаний (ПМ) — технические данные, подлежещие проверке при испытании изделия, порядок и методы их контроля; 10 таблица (ТБ) — данные, сведенные в таблицу; расчет (РР) — расчеты параметров и величин, например, расчет размерных цепей, расчет на прочность, расчет теплового режима и др.; эксплуатационные документы — документы для использования при эксплуатации, обслуживания и ремонте изделия в процессе эксплуатации; ремонтные документы — данные для проведения ремонтных работ на специализированных предприятиях; инструкция (И) — указания и правила, используемые при изготовлении изделия (сборке, регулировке контроле и т.п.); патентный формуляр (ПФ) — документ, содержащий результаты патентного поиска, осуществлённого при разработке изделия. В нём содеожится оценка патентоспособности, патентная чистота и технический уровень резработанного изделия, материала, процесса, метода. ЕДИНАЯ СИСТЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ Государственные стандарты, входящие в ЕСТД, устанавливают взаимосвязанные единые правила и положения по порядку разработки, оформления и обращения технологической документации, разрабатываемой и применяемой на предприятиях всех отраслей промышленности страны. Технологические документы (ТД) — текстовые или графические документы, в в отдельности или в совокупности определяющие порядок изготовления изделия, проведения процессов и содержащие необходимые данные для контроля и приёмки изделий. Также как в ЕСКД стандартам ЕСТД присваиваются обозначения на основе классификационного принципа. Номер стандарта составляется из цифры 3, присвоенный классу стандартов ЕСТД, одной цифры после точки, обозначающей подкласс (цифра 1 для изделий машино- и приборостроения), одной цифры, соответствующей классификационной группе стандартов в соответствии с таблицей 2, числа, определяющего порядковый номер стандарта в данной группе, и двузначной цифры (после тире), указывающей год регистрации стандарта. Например, обозначение стандарта "ЕСТД. Правила оформления документов контроля. Журнал контроля технологического процесса" имеют вид: ГОСТ 3.1505 — 75, то есть ГОСТ — категория нормативно-технического документа (государственный стандарт), 3 — класс (стандарты ЕСТД), 1 — изделие машино или приборостроения, 5 — классификационная группа стандартов, 05 — порядковый номер в группе, 75 — год регистрации стандарта. Виды и правила проектирования ТД определяются видом производства, на котором быдут изготовляться или ремонтироваться изделия и его составные части. В машино и приборостроении в зависимости от назначения производства можно разделить на основное, вспомогательное и опытное. Основное производство — производство товарной продукции, вспомогательное — производство средств, необходимых для обеспечения функционирования основного производства. Опытное производство — проихводство образцов, партий и серий изделий при проведении научноисследовательских работ. По типу производства разделяются на единичное, серийное и массовое. По организации производства разделяют на поточное, групповое и установившееся. 11 По уровню применяемых средств автоматизации и механизации производства разделяют на автоматизированное и механизированное. Таблица 2. Классификационные группы стандартов в ЕСТД. Шифр групп 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Содержание стандартов в группе Общие положения. Основополагающие стандарты. Классификация и обозначение технологических документов. Учет применяемости деталей и сборочных единиц в изделиях средств технологического оснащения. Основное производство. Формы технологических документов и правила их оформления на процессы, специализированные по видам работ. Основное производство. Формы документов и правила их оформление на испытание и контроль. Вспомогательное производство. Формы технологических документов и правила их оформления. Правила заполнения технологических документов. Резервная. Информационная база. По виду или признаку применяемого метода для изготовления (ремонта) изделия различают: литейное, прессовое, машинообрабатывающиее, термическое, сборочное, сварочное, гальваническое, лакокрасочное, полуправодниковое, вакуумное и другие производства. СВЯЗЬ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЯ Расчет и проектирование топологической структуры изделия должны быть направлены на получение оптимальной конструкции, обеспечивающую высокую надежность при минимальных технологических затратах. Оптимальность конструкции в значительной степени определяется полнотой исходных схемотехнических (электрических), технологических, конструктивных и эксплуатационных данных, требований и ограничений. Схемотехнические данные получают на основе анализа функционального состава разрабатываемой схемы. Существенным вопросом при этом является определение числа выводов ИМС. Схемотехнические данные являются главными при проектировании изделий, так как они определяют связи и параметры элементов, их функциональное назначение и условия эксплуатации. Их подразделяют на основные и дополнительные. К основным относятся: Электрическая схема с указанием входных и выходных сигналов, режимов питания; Полный перечень элементов схемы, их параметров и характеристик (номинальные значения: допуск на номинал, электрический и тепловой режимы, стабильность во времени и др.), который приводится в спецификации. 12 УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ. К дополнительным схемотехническим данным относятся: По электрической схеме — значение сопротивления наиболее критичных коммутационных связей и тип питания; допустимые подения напряжений в определенных проводниках; значения реактивных параметров пленочных проводников и проволочных выводов; значения паразитных параметров между отдельными элементами; допустимое значение наведенных сигналов; допустимое значение емкости шин питания; общая мощность, рассеиваемая схемой; наличие контрольных точек. По параметрам элементов — добротность конденсаторов на определенной частоте; диапазон и шаг регулировки номиналов элементов, требующих подгонки после изготовления. Технологические данные определяются конкретной технологией изготовления. Плэтому важным вопрсом при проектировании является выбор типового технологического процесса, если это не определено заданием на разработку. Выбор типового технологического процесса осуществляют по следующим критериям: вид производства, обеспечение точности изготовления, стабильность параметров, стоимость, надежность. Технологические данные и требования характеризуют возможность изготовления схемы с заданными параметрами. Основными технологическими данными являются параметры структурных элементов: подложек, пленочных элементов и компонентов (резисторов, конденсаторов, транзисторов, диодов и др.), проводников, контактных площадок, межслойной изоляции и защитного слоя. Это данные о качественных параметрах технологии получения пленок и пленочных сложных структур, параметрах пленок различного назначения (резистивные, проводниковые, контактные, диэлектрические, защитные), комбинации различных пленок, количестве слоев, наносимых в различной последовательности в зависимости от способа изготовления пассивной части схемы и точности изготовления пленочныз элементов. Технологические данные, как правило, заимствуются из конкретного типового технологического процесса и могут изменяться по мере совершенствования технологии. Технологические требования: Последовательность нанесения слоев пленочной структуры должна строго соблюдаться для выбранного метода изготовления; Расстояния между конструктивными элементами в каждой технологии свои. Конструктивные данные во многом определяются видом защиты ИМС, что зависит от области применения и условий эксплуатации изделия. В случае крпусной защиты необходимо руководствоваться номенклатурой типоразмеров корпусов, разрабатываемых для других ИМС. Конструктивные данные подразделяются на общие и частные и характеризуют объем и форму изделия, размеры подложки, число и расположение выводов, формирование единой топологической структуры для ряда микросхем, размеры и способ монтажа компонентов, способ монтаже ИМС в корпус. При проектировании топологии необходимо учитывать следующее: размер подложки выбирают в соответствии с рекомендуемыми габаритами; 13 периферийные контактные площадки располагают по четырем или двум противоположным сторонам подложки (для линейных ИМС допускается расположение с одной стороны); шаг расположения контактных площадок соответствует ряду 0,625; 1,25; 2,5 мм (для бескорпусной защиты) или расположению выводов корпуса (для корпусной защиты). Исходными для расчета пленочных элементов являются схемотехнические данные и технологические возможности изготовления. Цель расчета — выбор материалов и определение геометрических размеров и формы пленочных элементов, обеспечивающих получение элементов с воспроизводимыми и стабильными параметрами. Поэтому геометрические размеры пассивных пленочных элементов расчитывают с учетом технологических характеристик производства и эксплуатации ИМС. ВИДЫ И ТИПЫ СХЕМ ТЕКСТОВЫЕ КОНСТРУКТОРСКИЕ ДОКУМЕНТЫ В общем объеме КД, выпускаемой в процессе разработки изделий, в том числе ЭА, существенное место занимает схемная документация. Схема — графическая конструкторская документация, на которой в виде условных изображений или обозначений показаны составные части изделия и связи между ними. Схемы применяют при изучении принципа действия механизма, прибора, аппарата при их изготовлении, наладке и ремонте, для понимания связи между составными частями изделия без уточнения особенностей их конструкции. Схемы являются исходным базисом для последующего конструирования отдельных частей и всего изделия в целом. По виду элементов, входящих в состав изделия, связей между ними и назначения схемы подразделяют на виды () и типы (). В соответстыии с обозначениями, приведенными в таблицах, устанавливается код схемы. Таблица 3. Виды схем Наименование схемы Электрические Гидравлические Пневматические Газовые Кинематические Вакуумные Оптические Энергетические Комбинированные Обозначение Э Г П Х К В Л Р С Таблица 4. Типы схем Наименование схемы Структурные Функцирнальные Принципиальные Соединений (монтажные) 14 Обозначение 1 2 3 4 Подключения Общие Расположения Объединенные 5 6 7 0 Составляющими частями схем являются: элементы схем — составная часть схемы, которая не может быть рзделена на части, имеющие самостоятельное значение (микросхема, резистор, транчформатор и др.); устройство — совокупность элементов, прадставляющая единую конструкцию (блок, модуль). В ряде случаев устройство может не иметь определённого функционального назначения; функциональная группа — совокупность элементов, выполня.щая определённую функцию и необъединенных в единую конструкцию; функциональная часть — эдемент, устройство или функциональная группа, имеющая определённое функциональное назначение; функциональная цепь — линия, канал на схеме, указывающая на наличие связи между функциональными частями изделия; линия взаимосвязи — отрезок линии на схеме, указывающая на наличие связи между функциональными частями изделия; линия электрической связи — линия на схеме, указывающая путь прохождения тока, сигнала и др.; При проектировании ЭА используются следующие виды схем: Структурные схемы (Э1), определяющие основной состав ЭА и ее функциональные части, их назначение и взаимосвязи. Их разрабатывают на начальных стадиях проектирования ЭА, их используют как для разработки схем других типов, так и для общего ознакомления с ЭА; функциональные схемы (Э2), поясняющие процессы, происходящие в отдельных частях и узлах ЭА. Они являются основой для разработки принципиальных схем и применяются при наладке, ремонте и эксплуатации ЭА; принципиальные схемы (Э3), определяющие полный состав элементов и связей между ними и дающие полное представление о принципе работыотдельных узлов и устройств ЭА. Эти схемы являются основой для разработки полного комплекта конструкторской документации на ЭА; схемы соединений (Э4), показывающие внешние соединения составных частей ЭА и определяющие проводе, жгуты, кабели и другие соединительные изделия, а также места их присоединения и ввода. Их используют как при выпуске КД на ЭА, так и при её ремонте и эксплуатации; схемы подключений (Э5), показывающие внешние подключения ЭА. Эти схемы используют при монтаже ЭА на месте эксплуатации и при ее ремонте; общие схемы (Э6), определяющие составные части ЭА и соединения их между собой на месте эксплуатации; схемы расположения (Э7), устанаыливающие взаимное расположение отдельных устройств ЭА, а также соединяющих их жгутов, кабелей и т.д. ГРАФИЧЕСКИЕ КОНСТРУКТОРСКИЕ ДОКУМЕНТЫ Таблица 5. Обозначения основных логических элементов 15 Наименование функции И ИЛИ Сложение по модулю 2 Эквивалентность Исключающее ИЛИ "n и только n" Логический порог Мажоритарность Дешифратор Шифратор Сравнение Полусумматор Сумматор Монтажное И Монтажное ИЛИ Кодовый преобразователь Триггер Триггер двухступенчатый Счетчик: двоичный десятичный Задержка Генератор Усилитель Усилитель мощности Обозначение &, И 1 M2 = -1 -n ≥n ≥M DC CD - HS SM &, 1, X/Y T TT CT CT2 CT10 DL G Наименование функции Регистр Регистр со сдвигом вправо Регистр со сдвигом влево Регистр с реверсным сдвигом Одновибратор Пороговый элемент Формирователь сигнала Вычислитель Процессор Память Управление Перенос Прерывание Передача Приём Ввод-вывод Арифметика Мультиплексор Обозначение RG RG RG RG S TH F CP P M CO CR INR TF RC IO A MUX Демультиплексор DMX Селектор Дискриминатор Ключ Нелогический элемент SL DIC SW * ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ (ПП) ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ Требования, предъявляемые к ПП как к несущей кострукции и коммутационной схеме: конструкторские, электрические, эксплуатационные, технологические и др. Классификация печатных плат. Конструкция, область применения, коммутационные возможности, применяемая элементная база. Связь конструктивно-технологического направления монтажа ячеек ЭВА (модулей 1-го уровня) с конструкцией ПП. Компоновочные структуры ячеек ЭВА с применением корпусированных изделий электронной техники (ИЭТ), бескорпусных и поверхностномонтируемых компонентов (ПМК) и технологические процессы изготовления ПП. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПП Коммутация электрических соединений осуществляют с помощью навесного проводного монтажа и печатных схем. Технической реализацией последних являются печатные платы (ПП), представляющие собой диэлектрические основания с нанесенным на них токопроводящим рисунком схемы. Современный печатный монтаж, сохраняя все возможности проводного трехмерного, имеет по сравнению с ним следующие преимущества: 16 — получение большой плотности монтажных соединений; — резкое уменьшение числа паяных соединений, что способствует увеличению надежности изделий; — повышение электрических нагрузок в коммутационных цепях; — улучшение вибропрочности, теплоотдачи и стойкости коммутационных цепей к климатическим воздействиям; — обеспечение стабильной повторяемости параметров изделий; — микроминиатюризация аппаратуры; — унификация и стандартизация конструкций функциональных электронных блоков; — возможность комплексной автоматизации сборочных работ. Печатные платы служат основой функциональных узлов и предназначены для размещения на них навесных элементов с планарными и штыревыми выводами. ПП представляют собой сложные изделия из разнородных материалов, производство которых объединяет процессы, различные по своей физической сути. Длительность таких процессов составляет от нескольких секунд до нескольких часов, что обуславливает значительные трудности в освоении серийного производства ПП в едином технологическом цикле. ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ ПП В зависимости от числа нанесенных печатных слоев, печатные платы подразделяют на одно-, двухсторонние и многослойные (МПП). Независимо от типа ПП токопроводящий рисунок печатной схемы выполняют, как правило, на медной фольге, размещенной на электроизоляционном основании, в качестве которого обычно ичпользуют гетинакс или стеклопластики. В соответствии с названием у односторонних ПП рисунок печетной сжемы расположен с одной сторонф диэлектрического основания, у двухсторонних — соответственно с обеих сторон основания, а МПП состоят из нескольких печатных слоев, представляющих собой одно-, двухсторонние ПП. В зависимости от вида изоляционного основания ПП подразделяют на жесткие и гибкие. Толщина гибких ПП обычно не превышает 0,5 мм. Их применяют, как правило, в специальной аппаратуре, или же используют вместо жгутовых проводных межблочных соединений. В литературе они получили название гибких шлейфов. Шлейфы позволяют создать не только более компактные и надежные конструкции, но и в значительно й степени устранить эффект взаимных наводок, имеющих место в жгутовых соединениях. Использование шлейфов позволяет разместить все токопроводящие соединения в одной плоскости, и, кроме того, удалить последние друг от друга на необходимые расстояния. Гибким ПП может быть придана любая объемная форма, что оказывается существенным при проектировании бортовой аппаратуры, в которой вопросы массы, формы, объема и теплоотдачи имеют первостепенное значение. В последнее время успешно развивается конструирование ПП, выполненных не на традиционной изоляционной, а на металлической основе. В качестве подложек для печатного монтаха изпользуются алюминиевые анодированные пластины, окисная пленка на поверхности которых обладает хорошими электроизоляционными свойствами. Эта особенность алюминиевых пластин принципиально меняет конструкцию одно-, духсторонних и многослойных ПП. При этом автоматически решается один из глав17 нейших вопросов, возникающих при конструировании электронной аппаратуры, — вопрос о теплоотводе с ПП, поскольку металлическая подложка обладает лучшими теплоотводящими свойствами, нежели диэлектрическая. Это в свю очередь позволяет ужесточить электрические нагрузки в токопроводящих цепях ПП. Печатные платы с металлическими подложками обеспечивают более надежное крепление на них комплектубщих деталей и лучшее из заземление. Из применение способствует дальнейшей миниатюризации аппаратуры, поскольку при этом в ряде случаев полностью или частично отпадает необходимость в создании систем принудительного теплоовода в элетронных устройствах, установка которых занимает в среднем 10% от общего объема устройств. Рассмотрим так называемый многопроводный метод изготовления МПП. Суть его состоит в следующем. На диэдектрическом основании укладывают проводники из круглой проволоки с полиамидной изоляцией. Материал подложки может быть практически любой, применяющийся для изготовления обычных ПП. Для закрепления проводов на подложке последнюю покрывают слоем (толщиной 0,1 мм) терморезистивного клея. Укладку проводов осуществляют на специальной установке с ЧПУ, состоящей източного координатного стола и ультразвуковой головки в качестве рабочего органа. с помощью ультразвука проводник надежно соединяется с изоляционным основанием. Если необходимо соединить несколько слоев проводников, то они неизбежно пересекаются внахлест. Но это не нарушает целостность изоляции в местах пересечения, поскольку полиамидная изоляция обладает достаточной механической прочностью. После укладки проводов осуществляется процесс сверления отверстий для последующей установки навесных элементов. Концы проводников подводят торцами к краям отверстий, которые подвергают впоследствии химическому меднению. результате получают контактное соединение. Метод многопроводного монтажа не имеет принципиальных ограничений в части числа слоев проводников и плотности монтажных соединений. В настоящее время с его помощью уже изготавливают платыс расстоянием между осевыми линиями проводников 0,625 мм при диаметре провода 0,175 мм. Такого рода платы особенно удобны при отработке схемных решений, так как процесс их изготовления не связан с рядом трудоемких и дорогостоящих операций, присущих традиционным методам изготовления ПП. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Применяемые в науке, технике и производстве термины и определения основных и общих понятий печатных плат установлены ГОСТ 20406-75. Печатная плата (ПП) — материал основания, вырезанный по размеру, содержащий необходимые отверстия и, по меньшей мере, один проводящий рисунок. Рисунок печатной платы — конфигурация проводникового и (или) диэлектрического материалов на печатной плате. Проводящий рисунок — рисунок печатной платы, образованный проводниковым материалом. Основание печатной платы — элемент конструкции печатной платы, на поверхности или в объеме которого выполняется проводящий рисунок. Материал основания печатной платы (материал основания) — материал, на котором выполныется рисунок печатной платы. 18 Заготовка печатной платы (заготовка) — материал основания печатной платы определенного размера, который подвергается обработке на всех производственных операциях. Односторонняя печатная плата (односторонняя плата) — печатная плата, на одной стороне которой выполнен проводящий рисунок. Двухсторонняя печатная плата (двухсторонняя плата) — печатная плата, на обеих сторонах которой выполнены проводящие рисунки и все требуемые соединения. Многослойная печатная плата (МПП) — печатная плата, состоящая из чередующихся слоев изоляционного материала с проводящими рисунками на двух и более слоях, между которыми выполнены требуемые соединения. Гибкая печатная плата (гибкая плата) — печатная плата, имеющая гибкое основание. Объединительная печатная плата (объединительная плата) — печатная плата, предназначенная для соединения двух или более печатных узлов. Печатный проводник — одна проводящая полоска в проводящем рисунке. Печатный элемент — элемент, изготовленный с применением печати. Печатная схема — схема, полученная путем печати и включающая печатные элементы, проводящий рисунок или их комбинации, образованные в предварительной конструкции или подсоединенные к поверхности общего основания. Сторона монтажа печатной платы (сторона монтажа) — сторона печатной платы, на которой устанавливаются навесные элементы. Сторона пайки печатной платы (сторона пайки) — сторона печатной платы, на которой производится пайка выводов навесных элементов. Проводящий слой печатной платы (проводящий слой) — проводящий рисунок, лежащий в одной плоскости. Межслойное соединение — участок проводникового материала, входящий в рисунок печатной платы, предназначенный для электрического соединения проводящих рисунков на разных слоях или сторонах печатной платы. Перемычка печатной платы (перемычка) — отрезок проводникового иатериала, не входящий в рисунок печатной платы и обеспечивающий электрическое соединение между двумя точками проводящего рисунка на одной стороне печатной платы. Ширина печатного проводника — поперечный размер печатного проводника в любой его точке. Расстояние между проводниками печатной платы (расстояние между проводниками) — расстояние между краями соседних проводников на одном слое печатной платы. Свободное место печатной платы (свободное место) — участок печатной платы, где элементы проводящего рисунка и расстояние между ними могут быть выполноны номинальной величины. Узкое место печатной платы (узкое место) — участок печатной платы, гле элементы проводящего рисунка и расстояния между ними могут быть выполнены только с минимально допустимыми значениями. Контактная площадка печатной платы (контактная площадка) — часть проводящего рисунка, используемая для соединения или подсоединения элементов аппаратуры. 19 Гарантийный поясок контактной площадки (гарантийный поясок) — минимально допустимая ширина контактной площадки отверстия печатной платы в узком месте. Печатный контакт — участок проводящего рисунка, служащий в качестве одной части контактной системы. Металлизованное отверстие печатной платы (металлизованное отверстие) — отверстие в печатной плате с осажденным на стенках проводниковым материалом. Монтажное отверстие печатной платы — отверстие, используемое для соединения выводов навесных элементов с печатной платой. а также для любого электрического подсоединения к проводящему рисунку. Крепежное отверстие печатной платы (крепежное отверстие) — отверстие, используемое для механического крепления печатной платы на шасси или для механического крепления элементов к печатной длате. Фиксирующее отверстие печатной платы (фиксирующее отверстие) — отверстие в печатной плате, прежназначенное для точного расположения ее в процессе обработки. Ориентирующий паз печатной платы — паз на краю печатной платы, используемый для правильной установки и ориентации ее. Толщина печатной платы (толщина платы) — толщина материала основания печатной платы, включая проводящий рисунок или рисунки. Суммарная толщина печатной платы (суммарная толщина платы) — толщина печатной платы и дополнительное химическое или гальваническое покрытия. которые являются составной частью печатной платы. Тест-купон — часть заготовки печатной платы, служащая для оченки качества изготовления печатной платы, прошедшая с ней все технологические операции и отделяемая перед испытаниями. Оригинал рисунка печатной платы (оригинал) — изображение рисунка печатной платы, выполненное с необходимой точностью в заданном масштабе. Фотошаблон рисунка печатной платы (фотошаблон) — инструмент, используемый для копирования имеющегося на нем изображения с помощью света. Координатная сетка чертежа печатной платы (координатная сетка) — сетка, определяющая положение элементов рисунка печатной платы в прямоугольной или полярной системе координат. Групповой фотошаблон — фотошаблон рисунка печатной платы, на котором выполнено не менее двух рисунков печатной платы в мачштабе 1:1. Изгиб печатной платы (изгиб) — деформация, характеризующаяся циллиндрическим или сферическим искривлением основания печатной платы. Маркировка печатной платы (маркировка) — совокупность знаков и символов на печатной плате. 20 Фольгированный материал — материал основания печатной платы, имеющий с одной или двух сторон проводящую фольгу. Прокладочная стеклоткань (стеклоткань) — листовой материал, пропитанный смолой в стадии В. Субтрактивный процесс — процесс получения проводящего рисунка, заключающегося в избирательном удалении участков проводящей фольги. Аддитивный процесс — процесс получения проводящих рисунков, заключающийся в избирательном осаждении проводникового материала на нефольгированный материал основания. Показатель травления — отношение глубины травления к боковому подтравливанию. Осаждение — процесс, заключающийся в химическом или электрохимическом нанесении металла на всю или часть поверхности основания м (или) проводящего рисунка. Травление диэлектрика — контролируемое химическое растворение материала основания. Резист — покрытие, диэлкетрическое или металлическое, используемое в качестве защиты при выполнении последующих операций. Резистивная маска для обслуживания — теплостойкое покрытие, наносимое избирательно для защиты отдельных участков песаьной платы в процессе обслуживания и пайки. Склеивающая прокладка (прокладка) — лист прокладочной стеклоткани или другого материала, обладающий соответствующими адгезионными свойствами и используемый для склеивания отдельных печатных плат при образовании многослойной печатной платы. Проводящая фольга (фольга) — листовой проводниковый материал. предназначенный для образования проводящего рисунка печатной платы. Прочность на отрыв — усилие на единицу площадиперпеперперрое к поверхности печатно платы и необходимое для отделения контактной площадки или участка проводника от материала основания. Прочность на отслаивание — усилие на единицу ширины, необходимое для отделения фольги или части проводящего рисунка от материала основания. Сеткография — процесс переноса изображения на основание путем продавливания краски через сетчатый трафарет с помощью ракеля. Совмещение — степень соответствия расположения рисунков на противоположных сторонах печатной платы или различных слоях. 21 ЭТАПЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ Выбор метода изготовления печатных плат зависит от их назначения и конструктивно-технологических требований. Основные методы изготовления одно- и двухсторонних печатных плат — химический, комбинированный позитивный и комбинированный негативный. Основные методы изготовления многослойных ПП — металлизация сквозных отверстий и открытых контактных площадок. Реже применяются методы попарного прессования, выступающих выводов и послойного наращивания. Указанные методы — субстрактивные процессы, в которых проводящий рисунок получают избирательным удалением (травлением) участков фольги с диэлектрического основания ПП. В аддитивных процессах проводящий рисунок получают избирательным осаждением проводникового материала на нефольгированный материал основания. Сравнительные характеристики субстрактивной и аддитивной технологии даны в табице 2. Таблица 2 Сравнительные характеристики субстрактивной и аддитивной технологии Разр. способПроцесс Преимушества Недостатки ность, мм Наличие оснашения 1. Расход меди и для всех типов проСубтравителей изводств страк0,2-0,3 2. Большой диа2. Высокая адгезия тивный метр металлизирои пластичность прованных отверстий водников Полуад1. Большой диадитивный Высокая адгезия метр металлизирона фоль0,15проводников без ис- ванных отверстий гирован0,20 пользования адгези- 2. Сохранение ном дивов. операции травлеэлектриния ке Полуад1. Необходимость дитивный активации и час химистичной металлиИспользование ческой 0,15зации нефольгированного металли- 0,20 2. Большой диаматериала зацией метр металлизироповерхванных отверстий ности 1. Дешевый материал 1. Низкая скоАддитив- 0,102. Исключение трав- рость осаждения ный 0,15 ления меди меди и сложность 3. Высокая однород- контроля за про22 Аддитивный безрезистный (типа фотоформ) 0,0750,125 ность структуры и чистота осажденной меди 4. Выс. производит. и выход годных плат 5. Малый диаметр металлизир. отверстий Те же, что и у аддитивного, а также: 6. Исключение фоторезистов 7. уменьшение трудоемкости 8. Возможность полной автоматизации 9. Наивысшая плотность рисунка цессом металлизации 2. Непригодность для мелкосерийного производства Те же, что и у аддитивного Сущность методов изготовления ПП. Химический метод заключается в изготовлении плат путем травления фольгированного диэлектрика без последующей металлизации отверстий. Комбинированный метод (позитивный и негативный) изготовления двухсторонних ПП заключается в травлении фольгированного диэлектрика с металлизацией отверстий. Метод металлизации отверстий заключается в изготовлении внутренних слоев МПП химическим методом с последующим прессованием их в монолитную заготовку и в изготовлении наружных слоев комбинированным позитивным метолом с одновременной металлизацией отверстий. Метод открытых контактных площадок заключается в получении проводящего слоя МПП химическим методом и прессования (склеивания) печатных слоев в монолитную заготовку. Связь выводов навесных элементов с контактными площадками внутренних слоев осуществляется через перфорированные окна вышележащих слоев. Межслойные соединения отсутствуют. Метод попарного прессования заключается в изготовлении комбинированным методом двух плат (заготовок) с переходными металлизированными отверстиями и проводящего рисунка на одной из сторон (внутренний слой) каждой заготовки с последующим прессованием заготовок с введением между внутренними слоями изоляционных прокладок. Проводящий рисунок на наружных слоях спрессованных заготовок, монтажные отверстия и их металлизацию получают повторно также комбинированным методом. Метод выступающих выводов заключается в получении перфорированных заготовок из стеклоткани.прессовании их с заготовками из фольги, в изготовлении проводящего рисунка на этих заготовках (слоях) химическим методом и последующем прессовании слоев в многослойную заготовку. Межслойные соединения отсутствуют. Выступающие выводы, являющиеся продолжениями проводников, выходят из внутренних слоев в перфорированные окна на нарухную поверхность платы и образуют контактные площадки для присоединения к выводам элементов. 23 Метод послойного наращивания заключается в изготовлении перфорированных заготовок из стеклоткани, напрессовании первого слоя этой заготовки на фольгу, в получении проводящего рисунка на (внутреннем) слое, и в последующем напрессовывании диэлетрических заготовок с одновременным получением проводящего рисунка на каждом слое эдектрохимическим осаждением меди. Межслойные соединения выполняют в виде металлизированных переходов в перфорациях диэлектрика. Характеристика методов и особенности процессов изготовления однои двухсторонних ПП. При комбинированном методе одно- и двухсторонние ПП изготовляют на фольгированном диэлектрике с металлизацией отверстий. Сначала выполняются операции сверления отверстий и их металлизация, а затем травление меди с пробельных мест. При нанесении рисунка защитным слоем покрываются пробельные места, а на оставшиеся открытыми проводники, контактные площадки и отверстия в дальнейшем осаждается гальванически медь и защитный слой металла, предохраняющий медь от травления. В зависимости от применяемого фоторезиста сверление отверстий ведется до нанесения рисунка схемы или после. При применении сухих пленочных фоторезистов сверление отверстий и химическое меднение выполняется до нанесения рисунка. При использовании жидких фоторезистов, наносимых методом погружения, сверление отверстий и химическое меднение выполняется после нанесения рисунка и покрытия его лаком. Операция травления выполняется после химической и гальванической металлизации. Сплошной слой фольги защищает поверхность диэлектрика от воздействия агрессивных растворов и обеспечивает электрический контакт всех элементов схемы. Метод позволяет изготовлять ПП с повышенной плотностью монтажа, высокими электрическими параметрами и высокой прочностью сцепления проводников. Он рекомендуется при изготовлении ПП для аппаратуры, работающей в жестких условиях эксплуатации. Метод является предпочтительным при новых разработках. При комбинированном негативном методе изготовляют ПП на фольгированном диэлектрике с металлизацией отверстий. Вначале производится травление меди с пробельных мест, а затем выполняется операция сверления отверстий и их металлизация. При нанесении рисунка схемы проводники и контактные площадки покрываются защитным слоем, затем стравливается фольга с пробельных мест. После сверления и химического меднения отверстий производится гальваническое осаждение меди на проводники, контактные площадки и в отверстия. Электрическое соединение всех элементов схемы осуществляется с помощью контактирующего устройства или технологических проводников. Для улучшения пайки печатные платы покрываются сплавом Розе. Метод позволяет изготовлять ПП с меньшей плотностью монтажа. Может быть рекомендован для изготовления ПП ответственной аппаратуры при тщательной отработке процесса и систематическом контроле электрических параметров ПП. МЕТОД МЕТАЛЛИЗАЦИИ СКВОЗНЫХ ОТВЕРСТИЙ 24 Изготовление заготовок фольгированного диэлектрика. Травление меди с пробельных мест. Удаление фоторезиста (раздубливание) Прессование МПП. 25 Сверление отверстий. Подтравливание диэлектрика в отверстиях. Предварительное гальваническое меднение (затяжка) Получение рисунка сжемы наружных слоев МПП методом сеткографии. Нанесение защитного гальванического покрытия. 26 Удаление защитного слоя краски. Травление меди с пробельных мест на наружных слоях. Оплавление защитного металлического покрытия. Механообработка МПП. Маркировка. Контроль. Нанесение технологического защитного покрытия. Метод открытых контактных площадок Изготовление заготовок фольгированного диэлектрика. Получение рисунка схемы на фоторезисте. Травление меди с пробельных мест. Удаление фоторезиста. 27 Пробивка отверстий в слоях. Прессование слоев МПП с диэлектриком (односторонние платы). Прессование МПП с диэлектриком (двухсторонние платы). Облуживание поверхности контактных площадок. Механическая обработка МПП. Маркировка. Контроль. Нанесение защитного покрытия. МПП НА ПОЛИИМИДЕ, МНОГОСЛОЙНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ ПП. ЖЕСТКО-ГИБКИЕ МПП Основные этапы изготовления — сравнительная характеристика по плотности и точности изготовления рисунка, трудоемкости и области применения. Основой гибридных ИМС, БИС и микросборок (МСБ) являются платы, которые в зависимости от назначения имеют следующие конструктивные особенности. На поверхности плат гибридных ИМС в обном слое формируются пленочные резисторы, конденсаторы, а также контактные площадки межкомпонентные и межэлементные соединения. на поверхности плат гибридных БИС также формируют аналогичные элементы. Но в связи с тем, что степень интеграции БИС высока, создают несколько уровней. Платы МСБ представляют собой многослойные межкомпонентные соединения и контактные площадки и могут иногда содержать пленочные резисторы. Основными этапами технологических процессов изготовления таких плат являются: — подготовка масок или фотошаблонов в зависимости от технологии нанесения пленок и способов формирования конфигурации элементов; — подготовка тхнологического оборудования, оснастки и материалов для нанесения пленок (очистка поверхностей подколпачных устройств 28 установок термического испарения или ионно-плазменного распыления, а также испарителей и испаряемых материалов); — подготовка партии подложек к нанесению пленок (входной контроль геометрических размеров и отбраковка в соответствии с ТУ, очистка и контроль качества поверхности); — нанесение пленок на подложки; — формирование конфигурации пленочных элементов и структур (если это не было сделано на предыдущем этапе); — подгонка параметров пленочных элементов до заданных номиналов (если необходимо); — нанесение защитных покрытий на подложки с пленочными элементами. Метод свободной маски является самым простым и наиболее распространенным методом формирования пленочных элементов заданной конфигурации. При этом каждый слой тонкопленочной структуры наностся через специальный трафарет — съемную маску, с определенной точностью повторяющую геометрию проводящих, резистивных или диэлектррических элементов гибридных ИМС. Съемные маски представляют собой моно- или биметаллические пластины с прорезями, соответствующими топологии (форме и расположению) создаваемых пленочных элементов. Такие маски позволяют формировать до нескольких сотен одинаковых (идентичных) слоев. При нанесении пленок маски должны достаточно плотно прилегать к поверхности подложек, не допуская подпыления материала в зазор между ними и искажения геометрических размеров элементов, что приводит к изменению их электрических параметров. Чем меньше толщина маски и затенение при напылении от потока испаряемого вещества, направленного под углом к поверхности подложки, тем более четок рисунок и выше точность изготовления элементов. Так как маски находятся в тесном контакте с нагреваемыми до 4000 С подложками, материалы. из которых изготавливают маски, должны обладать низкой упругостью паров. В ином случае при такой температуре возможно испарение материала маски и загрязнение им пленки, растущей на подложке. Этим требованиям удовлетворяет нержавеющая сталь, молибден и некоторые медные сплавы (бронзы). Наиболее широко применяют биметаллические маски из бериллиевой бронзы БрБ-2 (100-150 мкм), покрытые тонким (10-15 мкм) слоем никеля обеспечивающие точность выполнения рисунка ±5 мкм. Технология изготовления масок основана на фотолитографии и предварительном изготовлении фотошаблонов. Требования, предъявляемые к фотошаблонам по их точности и дефектности, в этом случае ниже, чем в производстве полупроводниковых ИМС. 29 Ультрафиолетовое излучение Фотошаблон Фоторезист Бериллиевая бронза Фоторезист Фотошаблон Ультрафиолетовое излучение Нанесение, сушка и экспонирование фоторезиста. Фоторезист Бериллиевая бронза Фоторезист Фоторезистивная маска после проявления и задубливания. Фоторезист Бериллиевая бронза Никель Фоторезист Электрохимическое нанесение слоя никеля. Бериллиевая бронза Никель Удаление фоторезистивной маски. Бериллиевая бронза Никель 30 Биметаллическая маска после травления. Тщательно обезжиренную и очищенную заготовку из бронзовой фольги покрывают с обеих сторон слоем негативного фоторезиста и через соответствующие фотошаблоны экспонируют ультрафиолетовым излучением. После проявления и задубливания слоя фоторезста в местах будущих прорезей (окнах) остается фоторезистивная маска. Затем на заготовку электролитически осаждают слой никеля, удаляют фоторезистивную маску и травят заготовку через образовавшиеся окна в слое никеля. Травитель должен быть селективным, т.е. травить бронзу, не взаимодействуя с никелем. Типовый технологический процесс изготовления с помощью съемных масок пассивных элементов (резисторов и конденсаторов, токоведущих дорожек и контактных площадок) платы гибридной ИМС может быть осуществлен в раздельном цикле и непрерывном цикле. При раздельном цикле каждый слой пленочной структуры осаждают на одну или несколько подложек на отдельной технологической установке. При этом исключается взаимное загрязнение испаряемых материалов, менее сложна технологическая оснастка вакуумной камеры, возможен межоперационный контроль качества и электрофизических параметров нанесенных пленок. При непрерывном цикле все слои последовательно осаждают за один вакуумный цикл, что исключает атмосферное загрязнение плат при их транспортировании из одной установки в другую, а также значительно сокращает время изготовления ИМС, так как уменьшается количество циклов откачки вакуумной камеры, нагрева и охлаждения подложек. Кроме того, при этом способе легче обеспечить автоматизацию процесса. В одном случае рабочие камеры вакуумных установок оборудованы одним или несколькими испарителями и устройствами карусельного типа для смены подложек по мере их напыления. Причем каждая подложка совмещается только с одной съемной маской. В другом случае каждая позиция многопозиционной установки оснащается испарителем для нанесения определенного материала и необходимой маской, а подложки поочередно перемещаются с позиции на позицию. В некоторых вакуумных установках непрерывного осаждения пленок несколько разных материалов (два-три) загружают в индивидуальные испарители, которые при напылении соответствующего слоя на подложки поочередно заменяются. При этом на все подложки последовательно через одну и ту же маску наносят слой одного материала, затем другого, и т.д. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ НАДЕЖНОСТИ ЭВМ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ. ОТКАЗ. КЛАССИФИКАЦИЯ ОТКАЗОВ Надежность — важнейший показатель. Ее повышение снижает себестоимость продукции и эксплуатационные расжоды и повышает ресурс изделия. дновременно, повышая надежность комплектующих деталей и сборочных элементов, удается снизить вес и габариты изделий. Под надежностью (по ГОСТ 13377-67) понимают свойство изделий выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели 31 в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки. Надежность изделия обуславливается его безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью, а также долговечностью его частей. ОСНОВНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЭВМ. КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Безотказность — это свойство изделия сохранять работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов. Ремонтопригодность — свойство изделий, заключаюшееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Сохраняемость — это способность изделия сохранять обусловленные эксплуатационные показатели в течение и после срока жранения и транспортирования, установленного техническими требованиями. Долговечность — свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния. Предельным является состояние изделия, оговариваемое в технической документации, определяющееся невозможностью его дальнейшей эксплуатации, обусловленной снижением эффективности или требованиями безопасности. долговечность количественно оценивается техническим ресурсом, представляющим собой сумму интервалов времени безотказной работы изделия за период эксплуатации до разрушения или другого предельного состояния, или сроком службы изделия. Для изделий, износ которых в процессе эксплуатации происходит неравномерно и связан с периодическим выполнением определенных функций, долговечность может измеряться другими единицами (например, числом циклов, на которое рассчитано изделие до износа). Для количественной оценки надежности важнейшее значение имеет понятие отказа. Отказом называют неисправность, без устранения которой невозможно дальнейшее выполнение аппаратурой всех или хотя бы одной из ее основных функций. Отказы могут быть классифицированы по ряду признаков на следующие виды: по степени влияния на работоспособность — полный и неполный или частичный; по физическому характеру проявления отказа — катастрофический и параметрический; по связи с другими отказами — устойчивый, временный и перемежающийся. Полный отказ — отказ, при возникаюновении которого невозможно использовать аппаратуру до устранения причины отказа. Частичный отказ — отказ, обычно связанный с ухудшением какой-либо лдной из зарактеристик (параметров) элемента. Катастрофический отказ — отказ изделий, приводящий к полному нарушению работоспособности. К нему отностятся обрывы и короткие замыкания, поломки и деформации механических частей и т.п. Параметрические отказы компонентов являются частичными отказами сложных изделий, в которые они входят, и выражаются в ухудшении качества функционирования изделий. Это ухудшение может быть устойчивым или временным. Отказы как случайные события могут быть независимыми и зависимыми. Если отказ какого-либо элемента в системе не является причиной отказа других элементов, то такой отказ будет событием независимым. Если же отказ одного элемента появился или вероятность его появления из32 менилась при отказе других элементов, то отказ будет событием зависимым. Внезапные отказы — отказы, появляющиеся в результате резкого скачкообразного (катастрофического) изменения основных параметров под воздействием одного или нескольких из многих случайных факторов, связанных с внутренними дефектами элементов либо с ошибками обслуживающего персонала и др. Постепенные отказы — отказы, при которых наблюдается плавное изменение параметров в результате старения или износа элементов. Следует отметить, что появлению внезапных отказов обычно также предшествуют скрытые изменения свойств деталей или компонентов, которые не всегда удается обнаружить. Разделение отказов на внезапные и постепенные или катастрофические и параметрические является наиболее важным в классификации отказов, тка как оно определяет соответствующие методы расчета надежности. Надежность в отношении отсутствия параметрических отказов называют параметрической надежностью. Устойчивые отказы — отказы, устраняющиеся только в результате ремонта или регулировки либо замены отказавшего элемента. Временные отказы — отказы, самопроизвольно исчезающие без вмешательства обслуживающего персонала вследствие устранения вызвавшей их причины. Причинами таких отказов часто являются ненормальные режимы или условия работы. Многократно повторяющиеся временные отказы носят название перемежающихся. Их обычно трудно обнаружить; они свидетельствуют о наличии ненормальности в качестве излелия или режимах и условиях работы. Показатели надежности неремонтируемых изделий — это вероятность безотказной работы, средняя наработка на отказ, частота и интенсивность отказов, а для ремонтируемых изделий — наработка на отказ, коэыыициент готовности, параметр потока отказов, вероятность безотказной работы, среднее время восстановления и др. Вероятность безотказной работы изделий р(t) — это вероятность того, что в заданном интервале времени и при заданных условиях эксплуатации не произойдет отказа. Средняя наработка до отказа, или среднее время безотказной работы — это ожидаемое время исправной работы изделия до его первого отказа. Частотой отказов a(t) называют отношение числа отказавших элементов в единицу времени n(t)/t к числу элементов, первоначально установленных на испытание (N0), при условии, что отказавшие элементы не восстанавливаются и не заменяются исправными. а(t)=n(t)/(N0t) (1) Средняя частота отказов (t). Ее определяют по аналогичной формуле с той разницей, что расчет производят при условии замены вышедших из строя элементов исправными. 33 СТРУКТУРНАЯ НАДЕЖНОСТЬ ЭВМ РАСЧЕТЫ НА ПРОЧНОСТЬ Механическую прочность элементов конструкции проверяют на прочность методами сопротивления материалов и теории упругости для простейших балочных конструкций (стержней), пластин, рам с сосредоточенной, распределённой и смешанной конструкций. Выражения для расчетов на прочность следующие: при растяжении (сжатии) σp.сж=P/F≤ [σ]P/сж; при изгибе σи=Ми/Wи≤ [σ]и; при срезе τср=P/F≥ [τ]ср; при кручении τкр=Mкр/Wкр≥ [τ]кр; где P — усилие, действующее на деталь, H; F — площадь сечения детали, мм2; [σ]P.сж, [σ]и — допускаемые напряжения на растяжения, сжатие и изгиб; [τ]ср,,[τ]кр — допускаемые напряжения на срез и кручение; Mи,, Mкр — изгибающий и крутящий моменты, Н/мм3; Wи,, Wкр — моменты сопротивления при изгибе и кручении, мм3. При проектировании конструкции выполняют: проверочные расчеты, когда форма и размеры детали известны (выявлены при конструировании) и определяются по вышеприведенным формулам в опасных сечениях; проектные расчеты, когда парамеры опасных сечений неизвестны и их определяют на основе выбранных допустимых напряжений; расчеты допускаемых нагрузок по известным опасным сечениям и допустимым напряжениям. ОГЛАВЛЕНИЕ ЛЕКЦИИ КОНСТРУКТОРСКОЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ЭВМ ....................................................................................................................... 1 ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ ЭВМ .................................................................................... 1 Показатели конструкции ЭА.................................................................................................... 1 ВИДЫ ИЗДЕЛИЙ........................................................................................................................... 3 Деталь, сборочная единица, комплекс, комплект. .................................................................. 3 ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ ЭВМ ........................................................................................................ 6 Производственный процесс, технологический процесс, операция и ее структура: установ, переход, позиция и др. .................................................................................................... 6 ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ....................................................................................... 7 Этапы разработки изделия ...................................................................................................... 7 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ .......................................................................................... 8 Единая система конструкторской документации ................................................................. 9 Единая система технологической документации ............................................................ 11 Связь проектирования, конструирования и технологии производства изделия ................ 12 Условия эксплуатации. ............................................................................................................ 13 ВИДЫ И ТИПЫ СХЕМ ............................................................................................................... 14 Текстовые конструкторские документы ............................................................................. 14 Графические конструкторские документы .......................................................................... 15 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ (ПП) ....................................................................... 16 Основные понятия, определения ............................................................................................ 16 34 Назначение и область применения ПП .................................................................................. 16 Основные разновидности ПП ................................................................................................. 17 Термины и определения ........................................................................................................... 18 ЭТАПЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ ...... 22 Методы изготовления печатных плат.................................................................................. 22 Метод металлизации сквозных отверстий .......................................................................... 24 МПП на полиимиде, многослойные керамические ПП. Жестко-гибкие МПП .................... 28 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ НАДЕЖНОСТИ ЭВМ......................... 31 Работоспособность. Отказ. Классификация отказов ........................................................ 31 Основные эксплуатационные свойства ЭВМ. Качественные характеристики ................ 32 СТРУКТУРНАЯ НАДЕЖНОСТЬ ЭВМ ..................................................................................... 34 Расчеты на прочность ............................................................................................................ 34 ОГЛАВЛЕНИЕ ............................................................................................................................... 34 35