Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ методов и технологий автоматизации процессов жизненного цикла гибко-жестких печатных плат авионики 18
1.1 Тенденции развития электромонтажных конструкций авионики 18
1.2. Конструктивные особенности гибких и гибко-жестких плат 22
1.2.1. Преимущества и достоинства гибко-жестких печатных плат 25
1.2.2. Особенности техники соединений на основе гибких плат .. 33
1.2.3. Объемная системная миниатюризация и межсоединения 38
1.3. Проблемы конструкторско-технологического проектирования гибко-жестких печатных плат 40
1.3.1. Особенности проектирования жесткой части платы 40
1.3.2. Особенности проектирования гибкой части платы 40
1.3.3. Особенности проектирования гибко-жесткой плат с учетом параметров точности позиционирования 42
1.3.4. Суммарные погрешности при конструкторско-технологическом проектировании 46
1.3.5. Погрешности на этапе технологической подготовки производства 48
1.3.6. Требования высокого разрешения топологии электрических межсоединений.. 50
1.4. Выводы.. 53
2 Концепции создания инфраструктуры интегрированного информационного сопровождения жизненного цикла гибко-жестких печатных плат на основе принципов ипи (CALS)-технологий .. 55
2.1. Концепция информационной технологии автоматизации конструкторско технологических процессов гибко-жестких печатных плат.. 55
2.1.1. Концепция информационной технологии и интегральной автоматизации 55
2.1.2. Методология интегральной автоматизации процессов создания гибко-жестких многослойных печатных плат 66
2.1.3. Концепция применения ИПИ (CALS)-технологий 72
2.2. Формирование профиля средств автоматизированного конструкторско технологического проектирования гибко-жестких многослойных плат для
электронных устройств авионики.. 75
2.2.1. Процесс проектирования гибко-жестких печатных плат.. 75
2.2.2. Системы CAD конструкторского проектирования 79
2.2.3. Системы CAM технологического проектирования.. 82
2.3. Концептуальная схема интегрированной системы конструкторско технологического проектирования гибко-жестких печатных плат авионики 84
2.3.1. Особенности построения интегрированной САПР ГЖПП.. 84
2.3.2. Обобщенный алгоритм технологической подготовки ГЖПП.. 87
2.4. Выводы 91
3 Научно-методические основы анализа конструкторско- технологических решений в интегированной САПР ГЖПП 93
3.1. Метод анализа устойчивости конструкций линий связи.. 93
3.1.1. Особенности согласования линий связи в ГЖПП .. 93
3.1.2. Анализ геометрических характеристик линий связи в ГЖПП 95
3.1.3. Аналитический расчет волнового сопротивления.. 97
3.1.4. Дисперсия волнового сопротивления.. 99
3.1.5. Дисперсии геометрических параметров линий связи в ГЖПП 100
3.2. Метод анализа надежности электрических межсоединений в ГЖПП.. 102
3.2.1. Структура электрических межсоединений в ГЖПП.. 102
3.2.2. Линейные модели термомеханических напряжений соединений.. 106
3.2.3. Нелинейные модели анализа характеристик прочности электропроводящих элементов.. 110 3.2.4. Нелинейная модель термомеханических нагружений.. 111
3.2.5. Методика экспериментального исследования напряженного состояния элементов топологии.. 114
3.2.6. Анализ пластичности металлизации.. 117
3.2.7. Результаты экспериментальных исследований деформации.. 118
3.2.8. Устойчивость трансверсальных соединений к термоциклам.. 119
3.3. Метод анализа физической надежности электроизоляционных конструкций в ГЖПП.. 124
3.3.1. Модель электропроводности композиционных диэлектриков.. 124
3.3.2. Модель сопротивления диэлектриков 126
3.3.3. Модель параметра увлажнения монтажных подложек.. 128
3.3.4. Модель сопротивления электрической изоляции печатных плат.. 132
3.3.5. Модель отказов изоляции в структурах ГЖПП.. 136
3.3.6. Частная модель отказов изоляции ГЖПП.. 142
3.4. Выводы.. 145
4 Научно-методические основы синтеза проектных решений для автоматизации конструкторско технологической подготовки производства ГЖПП .. 147
4.1. Синтез проектно-технологических решений для автоматизации диагностического контроля качества ГЖПП.. 147
4.1.1. Особенности процесса диагностического контроля 147
4.1.2. Критерии и глубина контроля межсоединений 148
4.1.3. Критерии автоматического контроля соединений.. 149
4.1.4. Критерии диагностики качества изоляции.. 150
4.1.5. Модель кинетики нагрева проводника током.. 151
4.1.6. Режимы диагностического контроля соединений.. 155
4.1.7. Критерии диагностического контроля изоляции.. 159
4.2. Инструментальные средства 162
4.2.1. Способы вычисления усадочного коэффициента комбинированных
гибко-жестких плат.. 162
4.2.2. Инструментальные средства вычисления коэффициентов усадки диэлектрических материалов комбинированных ГЖПП 165
4.2.3. Способ компенсации усадки для гибких шлейфов 167
4.2.4. Инструментальные средства подготовки операции сверления 167
4.3. Выводы.. 169
5 Методы технологического решения сапр печатных плат с целью повышения плотности межсоединений ГЖПП .. 170
5.1. Анализ направлений увеличения плотности межсоединений 170
5.1.1. Влияние диаметра контактных площадок на объем трассировок.. 175
5.1.2. Увеличение числа проводящих слоев.. 177
5.1.3. Уменьшение размеров проводников и зазоров.. 178
5.1.4. Метод комбинированных соединений.. 179
5.2. Исследование электрических параметров печатных плат при уменьшении расстояний между токопроводящими элементами 182
5.2.1. Исследование ионной проводимости в материалах ПП.. 183
5.2.2. Исследование электрического сопротивления изоляции в зазорах между проводниками 188
5.3. Разработка способа снижения плотности межсоежинений ГЖПП без увеличения габаритного размера изделия для дополнительного увеличения степени интеграции топологии проводящего рисунка.. 195
5.3.1. Метод заращивания глухих переходных отверстий.. 196
5.3.2. Метод послойного наращивания..
5.4. Реализация проектных решений на основе САПР для автоматизированного проектирования межсоединений 216
5.5. Выводы.. 218
Заключение.. 220
Список литературы
- Особенности техники соединений на основе гибких плат
- Концепция информационной технологии и интегральной автоматизации
- Особенности согласования линий связи в ГЖПП
- Исследование электрических параметров печатных плат при уменьшении расстояний между токопроводящими элементами
Введение к работе
Актуальность темы и ее значимость. Электроника и, в частности, авионика – наиболее быстро развивающаяся область науки и техники, одно поколение технологий сменяет другое каждые три-пять лет. Можно сказать, что основная тенденция развития технологий производства авионики – увеличение плотности межсоединений вслед за увеличением интеграции и миниатюризации электронных компонентов. Технической базой реализации этих тенденций являются высокоинтегрированные монтажные основания для электронных компонентов, какими являются прецизионные печатные платы.
Актуальность проведенных исследований связана также с решением проблем постоянного роста плотности межсоединений по мере увеличения степени интеграции элементной базы в сочетании с необходимостью обеспечения их надежности в экстремальных условиях эксплуатации авионики. Решение этой проблемы потребовало создания научно обоснованных критериев оптимизации проектных решений, состоящих в разрешении противоречий между уменьшением размеров элементов межсоединений и потребностями в увеличении их надежности.
При этом уникальные технические и конструктивные характеристики ГЖПП не позволяют типовым САПР печатных плат (ПП) решать в автоматизированном режиме полный комплекс задач на этапах конструкторско-технологического проектирования и технологической подготовки автомати– зированного производства этих изделий. Необходима модернизация и адаптация возможностей существующих САПР ПП под постоянно совершенствующиеся конструкции и технологии производства ГЖПП на основе разработки новых моделей и методов синтеза и анализа проектных конструкторско-технологических решений в САПР и АСТПП гибких печатных плат.
Базовые конструкции авионики содержат многочисленные узлы и блоки, размещенные в трехмерном пространстве. Для их соединения в систему служат гибкие межсоединения. Количество проводников в гибких связях доходит до десятки тысяч. До недавнего времени их осуществляли проводным монтажом. Шаг присоединения проводов составлял 2,5 мм, что создавало затруднения для их пайки на периферии контура плат. Кроме того, при адресации присоединения проводов возникали многочисленные ошибки, исправление которых создавало дополнительную трудоемкость монтажа проводами. В результате, при наладке аппаратуры возвраты на исправление ошибок доходили до 5 – 6. Кроме предпосылок к потере надежности в этом процессе возникали временные издержки, что в ритмичном производстве создавало соответствующие сбои в производственном процессе.
Для устранения этих недостатков впервые в отечественной практике производства авионики в АО «Государственный Рязанский приборный завод» (АО «ГРПЗ») были спроектированы и освоены в производстве гибкие соединения на основе гибко-жестких печатных плат, встроенных в жесткие основания плат узлов и блоков базовых конструкций авионики. Использование гибко-жестких
печатных плат позволило увеличить надежность трехмерных межсоединений, уменьшить трудоемкость производства и осуществить производство жестких подложек и гибких межсоединений за один цикл.
Производство печатных плат – сложный многооперационный процесс,
содержащий многообразные операции фотолитографии, химического травления,
химической и электрохимической металлизации, механического и лазерного
сверления и фрезерования, прессования полимерных композиционных
материалов, совмещения элементов многослойных структур, электрического и оптического тестирования, современные методы физического и химического анализа. Технологический процесс содержит свыше 200 основных технологических операций. Управление таким сложным технологическим комплексом состоялось за счет привлечения научных и инженерных разработок.
Создание трехмерных печатных межсоединений потребовало разработки теоретических основ проектирования производства гибко-жестких печатных плат, позволивших осознанно подойти к комплектованию производства оборудованием и материалами, необходимым и достаточным для функционирования производственного комплекса на высоком техническом уровне. Впервые разработаны теоретические основы конструктивно-технологического обеспечения надежности межсоединений авионики, практическое применение которых значительно увеличило наработку на отказ авиационной электронной аппаратуры управления с 50 часов до десятки тысяч. Разработаны научные основы и используются на практике критерии функционального, параметрического и диагностического тестирования, позволяющие объективно оценить состояние качества печатных плат и узлов на их основе.
Высокий уровень состояния производства, выходящий за рамки отечественной стандартизации, обусловил разработку собственной нормативной базы проектирования гибко-жестких печатных плат с частичным использованием стандартов Международной Электротехнической Комиссии (ТК91) и стандартов IPC (США).
Выполненная работа определила возможность впервые в России разрабатывать и серийно изготавливать принципиально новое поколение элементов авионики: гибко-жестких печатных плат, обладающих таким комплексом характеристик, которые позволили использовать их не только в авиационной технике, но и в атомной энергетике, медицинской технике и других отраслях народного хозяйства.
В целом организация интегрированного конструкторско-технологического комплекса серийного производства печатных плат для авионики и другой специальной техники нового поколения решает важные государственные задачи технологического обеспечения разработок военно-технического назначения радиоэлектронного комплекса. Реализация этой разработки обеспечила лидирующие позиции АО «ГРПЗ» в России и за рубежом, позволило создать современное с забегом на будущее рентабельное саморазвивающееся высокотехнологическое производство, обеспечивающее конкурентоспособность отечественных разработок на международном рынке вооружений.
В ряду проблем увеличения плотности межсоединений становится особенно актуальной задача поддержания надежности соединений, так как множество и миниатюрность элементов межсоединений ставит в зависимость от их надежности безотказность и эффективность эксплуатации электронных средств авионики.
Современное состояние исследований в данной области. Начало таких
исследований положили Файзулаев Б.Н., Брехов О.М., Шахнов В.А., Цветков Ю.Б.,
Иевлев В.И., Кечиев Л.Н., Курейчик В.М., Бершадский А.М., Медведев А.М.,
Микитин В.М., Руфицкий М.В., Галецкий Ф.П., Юрков Н.К., Иванников А.Д.,
Корячко В.П. и ряд зарубежных ученых. За прошедшее с тех пор время сменилось
несколько поколений элементной базы, технологий межсоединений, изменились
принципы обеспечения надежности, в общем и целом, изменился предмет
исследований а, следовательно, новое время потребовало новых исследований.
Кроме того, в ряду этих исследований полностью отсутствовали постулаты для проектирования трехмерных межсоединений, которые сегодня реализуются за счет использования гибко-жестких печатных плат.
Материалы диссертационной работы основываются на результатах исследований автора, проведенных им на АО «ГРПЗ» в процессе создания «Интегрированного конструкторско-технологического комплекса серийного производства печатных плат для авионики и другой специальной техники нового поколения», удостоены Национальной премии «Золотая идея» Российской Федерации 2008 года в области науки и техники I степени.
Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является
разработка информационных и конструкторско-технологических моделей,
методов и инструментальных средств САПР, обеспечивающих информационную
поддержку конструкторско-технологических процессов автоматизированного
проектирования и технологической подготовки автоматизированного
производства гибко-жестких печатных плат (ГЖПП), технических средств авионики, ракетостроения и атомной энергетике, построенной на высоко интегрированной элементой базе.
Основные задачи. Достижение поставленной цели предопределило постановку и необходимость решения следующих задач:
1. Разработать научно-методические основы построения современных
средств САПР для синтеза и анализа проектных конструкторско-технологических
решений и информационной поддержки изделий ГЖПП по стадиям их
жизненного цикла.
2. Провести анализ конструктивно-технологических особенностей перспек
тивных гибко-жестких печатных плат для построения электронных изделий
авионики, других изделий техники специального назначения и определить
возможные пути решения проблемы обеспечения информационной поддержки
всех стадий жизненного цикла ГЖПП с использованием современных
информационных технологий.
3. Разработать научно-методические основы анализа конструкторско-
технологических решений на этапе технологической подготовки ГЖПП с целью
определения оптимальных параметров процессов и методик их достижения, которые необходимы для повышения качества и надежности ГЖПП в условиях высокотехнологичного автоматизированного производства. Разработать методы и технологии обработки соединений высокой плотности размещения и гальванического заращивания глухих отверстий.
-
Разработать методику принятия решений при возникновении противоречий технологического характера для обеспечения надежности аппаратуры.
-
Разработать и внедрить программные средства, реализующие разработанные модели и алгоритмы, предназначенные для создания аппаратно-программного комплекса производства ГЖПП в условиях автоматизированного многономенклатурного и серийного производства.
Объект исследований. Объектом диссертационного исследования является
интегрированный процесс конструкторско-технологического проектирования и
технологической подготовки автоматизированного производства ГЖПП
применительно к экстремальным условиям эксплуатации авионики и ракетных комплексах.
Предметом исследования являются модели, методы и инструментальные средства для построения специализированной интегрированной САПР, предназначенной для информационного и инструментального сопровождения всех этапов конструкторско-технологического цикла ГЖПП в условиях многономенклатурного автоматизированного производства.
Научная новизна. Научная новизна работы состоит в решении ряда научных задач проектирования трехмерных межсоединений с высокой плотностью компоновки в сочетании с решением проблем поддержания их надежности при увеличивающемся уровне миниатюризации и множества составляющих их элементов.
Раскрытие механизмов типичных отказов межсоединений и методов их предотвращения на этапах проектирования и контроля в процессе производства явилось научно-методологической основой работ автора.
В диссертации разработаны новые, развиты имеющиеся и интегрированы в единой концепции научные положения проектирования элементов электрических межсоединений электронного оборудования авионики:
1. Предложена современная концепция системы информационного сопровождения стадий конструкторско-технологического цикла ГЖПП, основанная на использовании принципов ИПИ (CALS)-методологии с учетом положений PDM-технологии, построенная на основе обоснованного применения типовых САПР конструкторско-технологического проектирования и технологической подготовки производства печатных плат и отличающаяся введением в структуру интегрированной САПР специально разработанного научно-методического и программного обеспечений для автоматизации решения задач конструкторско-технологической подготовки многономенклатурного автоматизированного производства ГЖПП.
-
Разработаны научно-методические основы построения современных средств для синтеза и анализа проектных конструкторско-технологических решений в САПР и средства информационной поддержки изделий ГЖПП по стадиям их жизненного цикла, учитывающие конструктивные особенности и технологические сложности автоматизированного производства ГЖПП.
-
Разработаны научно-методические основы анализа конструкторско-технологических решений на этапе технологической подготовки ГЖПП, обобщающие конструкторско-технологические номенклатурные практики с целью определения оптимальных параметров технологических процессов и построения методик их достижения, которые необходимы для повышения качества и надежности ГЖПП в условиях высокотехнологичного автоматизированного производства.
4. Разработан и внедрен в производство метод послойного наращивания
печатных плат с заращиванием глухих отверстий.
5. Созданы инструментальные программные средства, реализующие модели
и алгоритмы и предназначенные для автоматизации решения задач,
проектирования конструкторско-технологической подготовки производства
ГЖПП в условиях автоматизированного многономенклатурного и серийного
производства.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в разработке научных основ построения системы информационной поддержки всех стадий жизненного цикла ГЖПП и разработке методов синтеза и анализа проектных конструкторско-технологических решений в САПР для повышения качества и надежности ГЖПП в условиях автоматизированного проектирования и производства.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные модели,
методы и инструментальные средства позволяют в составе интегрированных
САПР повысить эффективность и результативность процессов конструкторско-
технологической подготовки автоматизированного производства ГЖПП
технических средств авионики для систем БРЛС (бортовых радиолокационных
систем).
Предложенные в работах автора концепции обеспечения надежности элементов межсоединений послужили основой для разработки критериев качества и обеспечения надежности печатного монтажа, диагностического контроля и испытаний элементов межсоединений в составе электронного оборудования авионики.
Методология и методы исследования. При аналитическом обзоре литературных источников использовались общепринятые методы сбора, систематизации, анализа и обобщения данных в отношении задач, связанных с информационной поддержкой процессов автоматизированного конструкторско-технологического проектирования электронных изделий авионики и другой спец. техники.
Теоретические исследования и поиск решения сформулированных в работе задач осуществлялись методами системного анализа и моделирования
информационных и физико-технологических процессов с применением методов обобщения выявленных закономерностей.
Апробация и проверка корректности теоретически найденных
закономерностей и решений осуществлялась вычислительными, экспериментами
и практическими результатами исследований в условиях реальной
автоматизированной проектно-производственной деятельности с целью,
разработки моделей физической надежности элементов конструкций
межсоединений и исследование их адекватности к экстремальным условиям эксплуатации авионики.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие результаты диссертационной работы:
1. Концепция построения системы информационного сопровождения стадий
жизненного цикла ГЖПП, основанная на использовании принципов ИПИ (CALS)-
методологии/технологии с учетом положений PDM-технологии, построенная на
основе обоснованного применения типовых САПР конструкторско-
технологического проектирования и технологической подготовки производства
печатных плат и отличающаяся введением в структуру САПР специально
разработанного научно-методического и программного обеспечений для
автоматизации решения задач технологической подготовки многономенкла
турного автоматизированного производства ГЖПП.
-
Научно-методические основы построения современных средств САПР для синтеза и анализа проектных конструкторско-технологических решений и информационной поддержки изделий ГЖПП по стадиям их жизненного цикла, позволяющие повысить эффективность функционирования системы автоматизированного проектирования и управления качеством проектных работ.
-
Научно-методические основы анализа конструкторско-технологических решений на этапе технологической подготовки ГЖПП, обобщающие частные практики с целью определения оптимальных параметров процессов и методик их достижения, которые необходимы для повышения качества и надежности ГЖПП в условиях высокотехнологичного автоматизированного производства.
-
Технологические решения САПР печатных плат с целью повышения плотности межсоединений гибко-жестких печатных плат.
-
Инструментальные программные средства, реализующие разработанные модели и алгоритмы, и предназначенные для автоматизации решения задач технологической подготовки производства ГЖПП в условиях автоматизированного многономенклатурного серийного производства.
Соответствие паспорту специальности. Проблематика, исследованная в диссертации, соответствует специальности – 05.13.12 «Системы автоматизации проектирования». Согласно формуле специальности 05.13.12 – это специальность, занимающаяся проблемами создания и повышения эффективности функционирования систем автоматизированного проектирования, управления качеством проектных работ на основе использования современных методов моделирования и инженерного анализа, перехода на безбумажные сетевые формы документооборота и интеграции САПР в общую архитектуру автоматизированной проектно-
производственной среды. Проблематика диссертации соответствует областям исследований: п.1. Методология автоматизированного проектирования в технике, включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств, для применения в САПР; п.3. Разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР и АСТПП.
Научная обоснованность разработанных положений подтверждена практикой проектирования, серийного производства и эксплуатации технических средств авионики в системах БРЛС (бортовых радиолокационных систем).
Степень достоверности. Достоверность научных положений, теоретических выводов и практических рекомендаций, изложенных в диссертационной работе, подтверждена:
экспериментальными данными, практикой проектирования, испытаний и серийного производства электронных средств авионики, разработанных в АО «ГРПЗ» с привлечением результатов исследований и научных положений, разработанных автором;
разработкой действующих программных средств САПР ГЖПП, подтвержденных свидетельствами об официальной регистрации;
патентами на изобретения и полезные модели;
Реализация и внедрение результатов диссертационной работы.
Исследования по тематике диссертационной работы проводились в рамках фундаментальных и прикладных исследований, проводимых в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» совместно с отраслевыми организациями АО «Государственный Рязанский приборный завод».
Результаты, полученные в работе, внедрены на следующих предприятиях и в организациях: ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» (г.Рязань); ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» (МАИ) (г.Москва); АО «Государственный Рязанский приборный завод» (г.Рязань); АО «Научно-производственная корпорация «КБМ» (г.Коломна); филиал АО «Ракетно-космический центр «Прогресс» - ОКБ «СПЕКТР» (г.Рязань); ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики имени Н.Л.Духова» (г.Москва); АО «НИИП имени В.В.Тихомирова» (г.Жуковский); ОКБ «Электроаватоматика» им. П.А.Ефимова (г. Санкт-Петербург); ООО «ТЕХНОТЕХ» (г.Йошкар-Ола); ООО «Остек-Сервис-Технология» (г.Москва); ООО «Радаравиасервис» (г.Рязань).
Использование результатов диссертационной работы на практике подтверждено соответствующими актами о внедрении. Получены свидетельства ФГУ «Федеральный институт промышленной собственности Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам» (ФГУ ФИПИ - РОСПАТЕНТ) об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Результаты исследований автора использованы в комплексе НИОКР в рамках Федеральной целевой программы «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008-2015 гг.
Апробация результатов работы. Результаты научных и практических изысканий автора, изложенных в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на отраслевых, всесоюзных и международных конференциях и семинарах: Всероссийская научно-техническая конференция «Производство печатных плат и монтаж компонентов», (г. Москва. 2011); 8-ая Международная выставка и конференция
Полученные научные и практические результаты использованы в
материалах лекций по направлениям 09.03.02 («Информационные системы и
технологии» по профилю «Конструирование и производство средств
информационной вычислительной техники») и 11.04.03 («Конструирование и
технология электронных средств» по программе «Технология средств
информационно-вычислительной техники») в курсах «Конструирование и
технология производства информационной и вычислительной техники», «Микро-
и нанотехнологии», «Современные материалы в микро- и нанотехнологиях» и
«Автоматизация проектирования средств информационно-вычислительной
техники» на кафедре 307 «Технологии приборостроения» ФГБОУ ВО «Московского авиационного института».
Материалы диссертационной работы используются в виде теоретических материалов и программных средств в лекционных курсах и лабораторном практикуме кафедры «Системы автоматизированного проектирования вычислительных средств» РГРТУ по дисциплинам «Управление качеством электронных средств», «Информационные технологии проектирования ЭВС» (бакалавры направления 11.03.03 «Конструирование и технология ЭС»), «Автоматизация конструкторского и технологического проектирования» (бакалавры направления 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника»), «Техническая подготовка производства РЭС» (магистранты направления 11.04.03 «Конструирование и технология ЭС»).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 печатных работ, в том числе: 6 монографии; 10 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК для кандидатских и докторских диссертаций; 31 статья в научно-технических журналах и межвузовских сборниках научных трудов; 5 докладов на международных и всероссийских конференциях; 3 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ в ФГУ «Федеральный институт промышленной собственности Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам» (ФГУ ФИПИ – РОСПАТЕНТ); 2 полезные модели; 3 изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений, изложенных на 286 страницах (включая 117 рисунков и 40 таблиц). Список литературы содержит 157 наименований.
Личный вклад автора. Все результаты диссертационной работы, в том числе постановка задач, разработка и исследование защищаемых моделей и алгоритмов, основные научные результаты, выводы и рекомендации принадлежат лично автору. Программные средства, реализующие модели и алгоритмы, разработаны под руководством и при непосредственном участии автора. Работы, выполненные в соавторстве, посвящены общей постановке проблемы, концепции ее решения, предложенной автором, конкретизации разработанных методов, моделей и алгоритмов для ряда актуальных прикладных задач, разработке отдельных программных средств.
Особенности техники соединений на основе гибких плат
Существует много причин использования гибко-жестких плат в качестве средства межсоединений в электронных устройствах авионики. В некоторых случаях, когда необходима устойчивость ГЖПП к динамическим нагрузкам, использование таких плат очевидно. По крайней мере, в этом они не имеют альтернатив. Намного больше других областей использования гибко-жестких печатных плат, когда они помогают решить трудные проблемы уплотнения компоновки аппаратуры авионики [12]. Следует отметить эти преимущества.
Гибкие платы используют самое тонкое диэлектрическое основание из всех доступных сегодня материалов, предназначенных для создания межсоединений. В некоторых случаях из этих материалов можно изготовить гибкие платы, имеющие полную толщину меньше 50 мкм, включая защитный слой. Для справки, жесткие монтажные подложки с той же функциональностью оказываются в два раза толще. Мало того, что малая толщина гибких плат привлекательна сама по себе, возможность ее складывать за счет гибкости также дает возможность сокращать объемы и габариты электронных устройств
Дополнительное преимущество малой толщины гибких плат – малая масса. Если гибкие платы не закрепляются на твердой подложке, они сами по себе легче аналогичных жестких плат на 75%.
Малая масса межсоединений, реализуемая гибкими платами, оказалась настолько привлекательной в аэрокосмической аппаратуре, что эта область их использования стала конкурировать по объемам производства с портативной электроникой.
Гибкие платы олицетворяют простую и быструю технологию межсоединений узлов и блоков электронной аппаратуры авионики. Альтернатива гибким платам – проводной монтаж и гибкие кабели связаны с необходимостью прокладки проводов по намеченным трассам соединений и их закрепления, зачистки и пайки каждого провода по отдельности. Жгутовый проводной монтаж требует еще и дополнительных трудозатрат на обозначение адресов связей.
Гибкие платы дают возможность использования групповых методов сборки и монтажа изделий. Кроме того, само их изготовление намного дешевле за счет использования групповых технологий изготовления и маркировки.
В то время как проводной монтаж неизбежно связан с человеческим фактором – источником ошибок, гибкие платы не имеют источников ошибок человеческой природы. Ручной монтаж - постоянный риск возникновения ошибок.
Гибкие платы проектируются в составе системы межсоединений и затем воспроизводятся машинными методами, предотвращающими ошибки человеческого фактора. В результате, за исключением неизбежных ошибок производства, гибкими платами невозможно осуществить соединения, не соответствующие спроектированной схеме [13].
Специалисты по надежности всегда при поиске источников отказов электронной аппаратуры ищут их источник в дефектах межсоединений. Академик Берг в свое время заявил: «Наука о надежности это наука о контактах. Чем их больше, тем менее надежна система». Гибкие платы идеальное средство для уменьшения числа контактов. Когда они сконструированы должным образом и рационально применяются в электронной компоновке, они способствуют увеличению надежности, сокращая количество межсоединений в пределах электронного модуля или блока.
В среде специалистов по гибким схемам бытует правило, по которому гибкие платы рентабельно использовать, когда нужно иметь больше 25 межсоединений от точки к точке. Это число несколько произвольно, но основная концепция верна. Тем не менее, для выбора решения нужно сопоставлять стоимость проводного и печатного гибкого монтажа с учетом объема и других факторов производства. Некоторые проектировщики изделий находят гибкие платы более рентабельными, уже начиная с двух или трех связей. Тем не менее, в ряде случаев существует обоснованность использования жгутового монтажа в противовес гибким платам. Тем не менее, на выставке Productronica-2001 [14] были показаны примеры гибких плат длиной до 8 м, способных к использованию в автомобильном транспорте.
Устойчивость к многократным динамическим изгибам - один из основных параметров гибких плат. Другие решения для гибких межсоединений, типа плоского ленточного кабеля, тоже могут удовлетворительно использоваться в подобных случаях, но гибкие платы превосходят их как стандартный метод создания надежной взаимосвязи между перемещающимися частями. Малая толщина материалов оснований, в сочетании с очень тонкой медной фольгой, создает гибким платам значительные преимущества в создании динамически устойчивых межсоединений в изделиях авионики.
Почти все материалы оснований гибких плат имеют электрические характеристики, благоприятно сказывающиеся на формировании линий передач: однородность материалов и электрические свойства на высокой частоте. Благодаря этому относительно просто реализовывать гибкие схемы, применительно к обеспечению быстродействия линии передач.
При наличии однородности материалов, единственное требование производства – обеспечить адекватную однородность проводников на всей их длине, т.е. точно воспроизводить их геометрию, чтобы достигать требуемого значений характеристик линии связи. Обычно используют линии с волновым сопротивлением 50 Ом, для гибких печатных плат это достигается без затруднений. Более высокие значения волнового сопротивления обеспечиваются большей толщиной гибкой платы, и она теряет в гибкости. Чтобы решить эту проблему без увеличения толщины, приходится выполнять линию передачи весьма тонкими проводниками, а это может сказаться на потере точности воспроизведения ширины проводника и на выходе годной продукции.
Для быстродействующих линий передач уменьшение сечения проводника мало сказывается на их работоспособности, поскольку на больших частотах довлеет явление скин-эффекта – вытеснение тока на поверхность проводника, за счет чего эффективно используемое сечение проводника уменьшается в большей мере, чем площадь его физического сечения.
Плоские проводники имеют намного большую поверхностность, чем круглый провод, за счет чего более эффективно рассеивается тепло. Это первое преимущество. Далее, если сравнивать гибкие и жесткие платы, очевидно, что путь теплопередачи из жесткой платы больше, чем из тонкого гибкого основания. Мало того, рассеивание тепла из гибкой платы идет на обе стороны, что на много увеличивает эффективность теплоотвода. Тем не менее, следует учесть, что в жестких платах можно использовать толстый внутренний слой теплоотвода, что нельзя использовать в гибких платах, они от этого перестанут быть гибкими.
Концепция информационной технологии и интегральной автоматизации
Создание большой монтажной плотности гибко-жесткой многослойной платы (ГЖПП) ограничено предельными возможностями технологии в уменьшении размеров присоединительных элементов для выводов микросхем. Повышенную плотность соединений можно реализовать только в многослойных трехмерных структурах ГЖПП за счет увеличения слойности, улучшения коммутационных характеристик слоев, увеличения плотности трасс. Качественно плотность соединений в ГЖПП определяется соотношением: P С=(nTp+Х)km С1T, где Т - шаг сквозных отверстий, между которыми трассируется nTp проводников. Коэффициент использования трасс к может принимать значения в пределах 0 к 1 в зависимости от степени взаимонезависимости направлений трассировки соединений. В ГЖПП особенно большую эффективность создают межслойные переходы в шаге трасс двусторонних внутренних слоев со строго ортогональной трассировкой. Коэффициент к для сигнальных слоев ГЖПП с различной плотностью трасс принимает значения, представленные в таблице 1.2 [19-21].
Увеличение слойности гибко-жестких плат ограничено предельной толщиной - технологическими ограничениями металлизации и пайки глубоких и узких отверстий в «толстых» диэлектрических основаниях ГЖПП. Кроме того, при использовании «толстых» плат затрудняется отвод тепла от тепловыделяющих элементов, что тоже будет сдерживающим фактором проектирования «толстых» плат. Таблица 1. Количество трасспроводников отнесенныхк двум соседнимотверстиям Значения коэффициента использования трасс, k
Увеличение плотности токопроводящего рисунка - наиболее продуктивный способ увеличения плотности межсоединений. Однако ограничения в уплотнении рисунка связано в основном со значительным возрастанием электромагнитных связей между соседними трассами.
Улучшение коммутационных характеристик за счет использования второй структуры трехмерных связей на внешних и внутренних слоях создает дополнительные условия повышения эффективности использования трасс.
Необходимость объективной оценки предельных возможностей технологии в сочетании с необходимым уровнем надежности обусловило создание основ инженерных расчетов для выбора технических решений в процессе разработки базовых конструктивно-технологических решений по новым изделиям
В ряде работ были созданы общие теоретические основы вероятностных методов оценки точности параметров ГЖПП. Их использование в практике расчетов потребовало изучения законов распределения составляющих звеньев размерных цепей и их числовых характеристик применительно к конкретным конструкционным материалам и технологической базе производства. Вместе с тем возникла потребность в методиках прогнозного расчета основных конструктивно-технологических параметров ГЖПП и моделях расчета совмещения элементов соединений в многослойную трехмерную структуру [19].
Созданная на этой основе обобщенная математическая модель расчета вероятности ослаблений соединений позволяет формировать стратегию проектирования высоконадежных межсоединений, соотнесенного с возможностями реального производства. Для технических средств, использующих высокую плотность монтажа с большим количеством элементов межсоединений, когда размеры элементов соединений соответствуют предельным возможностям производства, более достоверен вероятностный метод расчета плоских размерных цепей. Вместе с тем этот метод создает основу для оценки конкретного производства в возможностях реализации проектов межсоединений и позволяет рассчитать их надежность в зависимости от сложности конструкций монтажных изделий в сопоставлении с техническим уровнем производства [22-26].
Одним из непременных условий конструктивно-технологического обеспечения надежности соединений является правильно рассчитанные размеры элементов совмещения трехмерных структур межсоединений. Для многослойных печатных плат это условие обеспечивается размером контактных площадок, исключающим выход за их пределы зоны сверлений сквозных отверстий. Основанные на этом критерии модели расчетов состоят в определении статистического распределения точек на плоскостях внутренних слоев, в которых могут находиться транс-версальные связи (металлизированные отверстия) с учетом погрешностей изготовления ГЖПП. Эти погрешности группируются на: - позиционные погрешности, не зависящие от линейных размеров плат (погрешностей оборудования и систем базирования); - линейно-зависимые погрешности, связанные с деформациями оснований, несущих топологический рисунок межсоединений (деформации полимерной основы фотошаблонов, тонких оснований внутренних слоев ГЖПП и др.) [27].
Сумма дисперсий позиционных погрешностей, представляющих независимые случайные величины с нормальным законом распределения и с нулевым математическим ожиданием равна: где af - дисперсии погрешностей позиционирования и систем базирования. Исследованиями линейно-зависимых погрешностей установлено, что по мере увеличения линейных размеров печатных плат и расстояний печатных элемен 45 тов от условно выбранного начала координат математическое ожидание mL величины их смещения изменяются линейно, а дисперсия oL2 - параболически: mL=m0L CT2=C70L\ где т0 и 70 - математическое ожидание и дисперсия линейной деформации материалов, отнесенные к единице длины. Так как печатные элементы примерно одинаково распределены по полю платы, распределение расстояний от условного начала координат по всей длине платы можно принять равновероятным: F\L) = 1/L. В этом случае характеристики m0L и G2L будут представлять собой функции случайной величины L. Дисперсию и математическое ожидание суммарного распределения величины размерной нестабильности AL по длине с получены из закономерностей нормального распределений, представляющими собой, функции какого-либо доминирующего фактора:
Особенности согласования линий связи в ГЖПП
Рост производительности электронных средств авионики обуславливает необходимость использования специальных методов и режимов согласования линий связи в конструкциях ГЖПП, исключающих многократные отражения сигнала в линиях. Режим согласования предъявляет жесткие требования к стабильности волнового сопротивления межсоединений в ГЖПП, как одному из главных параметров линий связи. Для гарантий обеспечения этого требования в интегрированной САПР ГЖПП (глава 2, рисунок 2.5) предусмотрен специальный информационно-аналитический модуль, содержащий необходимые научно-методические положения инженерного анализа конструкций ГЖПП на предмет согласования электрических линий связи.
Согласно рассматриваемому способу в состав конструкций ГЖПП предлагается вводить тест-элемент, содержащий длинную линию, по результатам тестирования которой предполагается оценивать соответствие ГЖПП требованию согласованности линий связи. Однако отбраковка готовых плат по результатам этого тестирования создает крайне неблагоприятную ситуацию для производства, связанную с неопределенностью выхода годных, с отсутствием уверенности в благополучном исходе оценки качества готового продукта по этому параметру. В связи с этим возникает настоятельная потребность в упреждающем управлении технологической подготовкой производства, направленной на обеспечение заданных параметров линий связи на промежуточных этапах изготовления ГЖПП, так чтобы на заключительном этапе гарантированно получить нужный результат [102]. Одним из основных параметров конструкции современных ГЖПП – обеспечение быстродействия печатного узла, собранного на ГЖПП. При этом основным параметром является волновое сопротивление линий передачи ГЖПП, значение которого влияет на согласование линий и уровень перекрестных помех в них. Для систем сверхвысокого быстродействия волновое сопротивление должно быть около 90 Ом, а для снижения перекрестных помех это значение должно быть около 40 Ом. В международной практике принято компромиссное значение волнового сопротивления – 60 Ом, которое удовлетворяет требованиям как по быстродействию, так и по помехозащищенности.
От стабильности и однородности волнового сопротивления в значительной мере зависит целостность сигнала в узлах цифровой техники. Непременным условием сохранения целостности сигнала является согласование электрически длинных линий, для которых и определяется параметр волнового сопротивления. При этом могут использоваться способы согласования параллельным резистором на выходе линии или последовательным резистором на входе линии. В любом случае коэффициент отражения k от нагрузки не должен превышать 0,05-0,10 [102, 103]. Коэффициент отражения в общем виде определяется по формуле: Rj+Z где Rj - сопротивление нагрузки, Z - волновое сопротивление линии передачи. Из выражения (3.1) следует, что с учетом допусков на значение сопротивления, требования к выполнению волнового сопротивления на плате очень жесткие. Для анализа требований к линиям связи в ГЖПП используем для примера следующие реальные требования одного из проектов электронной аппаратуры авионики: - номинальные значения волновых сопротивлений линий должны находиться в пределах 50 Ом при отклонении от номинала не более чем на 10%; - сопротивление постоянному току (при последовательном способе согласования) не должно превышать 5 Ом/м; - коэффициент перекрестной наводки в соседней линии связи при групповой передаче информации - не более 0,18 [103].
Взаимосвязь между вышеприведенными требованиями и геометрическими характеристиками межсоединений как линий связи можно установить, рассмотрев известные выражения волнового сопротивления Z0 и отношении наведенной помехи UП в линии-приемнике к сигналу UC в линии-индукторе применительно к схеме согласования, показанной на рисунке 3.1 , и трассировке печатных проводников в ГЖПП, показанной на рисунках 3.2 и 3.3. Z0 Z0 Uс] Z0 Z0 Z0 Рисунок 3.1 - Схема наведения помехи UП в линии-приемнике Приближенные соотношения для определения параметров линий передачи следующие: иП/иС=К1(К2+1)/4 0,18; (3.2) К1= С12/С0; К2 = (M/L0X1/ ), где С12 частичная взаимная емкость между линиями, С0 - частичная емкость сигнального проводника линии передачи на возвратный слой, С10 = С20 = С0, L0 -индуктивность линии передачи, L10 =L20 =L0, М - взаимная индуктивность линии передачи.
Исследование электрических параметров печатных плат при уменьшении расстояний между токопроводящими элементами
Увлажнение диэлектрических оснований печатных плат с теоретических позиций - процесс мало изученный. Обычно этот процесс оценивают косвенно по изменению электрических характеристик печатных плат. Современные представления о процессах увлажнения не позволяют выработать обоснованные требования к проектированию узлов и блоков электронной аппаратуры, к условиям их эксплуатации и климатической защиты. В научно-технической литературе сведений об увлажнении композиционных диэлектриков слишком мало, a теоретические модели увлажнения носят слишком общий характер, что не позволяют использовать их для инженерных расчетов.
Результаты экспериментальных исследований процессов увлажнения также недостаточны, так как они могут быть достоверны только для равновесного вла-гопоглощения, когда для фиксированных внешних условий насыщение достигает установившихся значений по всему объему конструкции узла, блока, и не создают предпосылок для прогнозирования количественных характеристик нестационарных процессов увлажнения композиционных материалов с различными диффузионными и сорбционными константами [121, 122].
Актуальность рассмотрения комплекса вопросов, связанного с процессами увлажнения печатных узлов обусловила необходимость разработки математической модели, с помочью которой можно было бы при ограниченном объеме экспериментальных исследований количественно оценить нестационарные во времени и объеме изменения содержания влаги в композиционных материалах - диэлектрических основаниях печатных плат.
Одной из распространенных причин возникновения дефектов и отказов печатных плат является повышенное влагосодержание. Концентрация влаги в диэлектрическом основании печатных плат может быть такой значительной, что при условиях ее интенсивного испарения, характерных, например, для пайки расплавленной водной припоя, могут возникать большие поверхностные или объемные взрывные расслоения, многочисленные дефекты паяных соединений.
Повышение температур пайки при переходе на бессвинцовые технологии обостряет проблему обеспечения устойчивости плат к термоударам, возникающим при пайке [123].
Наличие на внутренних слоях ГЖПП массивов фольги, характерных для цепей земли и питания, усугубляет последствия интенсивного испарения влаги. Препятствия для выхода пара, возникающего в местах сосредоточения больших поверхностей фольги, повышают его локальное давление до значений, превышающих адгезионную прочность сцепления слоев ГЖПП. Если, например, задел ГЖПП перед пайкой хранился в условиях производственного помещения при температуре 25 С и относительной влажности 70%, равновесное содержание влаги в плате с габаритами 150x140x2,0 мм3 превышает 0,2 г. Обычным расчетом можно показать, что объем пара, выделяющегося из такой платы за время пайки при температуре 250 С, будет превышать 0,5 л. Этого достаточно» чтобы привести к расслоению ГЖПП по ослабленным местам, которыми опять же являются соединения фольги с диэлектриком. Расслоения ГЖПП неизбежно приводят к необходимости забракования дорогостоящих узлов и блоков, так как их отрицательные последствия непредсказуемы для дальнейшей эксплуатации электронной аппаратуры [123].
Для предотвращения дефектов паяных соединений, связанных с паровыде-лением, стандартный технологический процесс предусматривает сушку плат за 6 часов до пайки, не связывая это время с конкретными условиями хранения задела. Тем не менее, практика производства показывает, что, во-первых, не всегда можно уложиться в это время, и, во-вторых, при максимально разрешенных значениях относительной влажности и температуры воздуха производственных помещении монтажных участков и цехов, наступающая обычно в летний период, за 6 часов поверхностные слои ПП могут увлажниться до критических значений. Напротив, в зимний период, когда холодный атмосферный воздух имеет низкое абсолютное содержание влаги после нагрева его до температуры производственных помещений, относительная влажность становится очень низкой - до 20%. В этих условиях, очевидно, производить сушку плат перед пайкой не требовалось бы.
Однако, во избежание опасностей, связанных со статическим электричеством, помещения, где производится сборка и монтаж, искусственно увлажняются. В реальных условиях относительная влажность воздуха всегда изменяется. При ручной сборке печатных узлов дополнительным фактором заметного поверхностного увлажнения плат является конденсация продуктов испарения кожи рук человека, наиболее интенсивного в жаркий период времени [123].
В результате изменения влажности происходит попеременное увлажнение и высыхание материала. Вследствие этого поверхностные слои диэлектрического основания ПП теряют механическую прочность, разрыхляются.
Высокое влагосодержание может вызвать гидролиз связующего. Совокупность этих факторов может приводить к размягчению поверхности диэлектрика ПП, а продукты гидролиза могут способствовать ускорению коррозии металлических покрытий и тем самым способствовать потери паяемости металлических элементов. К размягченной поверхности связующего могут прилипать продукты процессов пайки, вызывая различные формы белесоватости диэлектрика.
Увлажнение ПП с теоретических позиций - процесс малоизученный. Обычно этот процесс оценивают косвенно по изменению электрических характеристик изоляции при испытаниях ПП на влагоустойчивость при исследованиях процессов отказа изоляции, коррозии металлических элементов ПП. Современные представления о процессах увлажнения ПП не позволяют выработать обоснованные требования к технологиям узлов и блоков электронной аппаратуры, к условиям их эксплуатации.