Разработка процесса изготовления печатной платы
Московский техникум космического приборостроения.Курсовой проект По технологии и автоматизации производства. Разработка процесса изготовления Печатной платы Э41-95 Разработал: Демонов А. В. Проверил: Шуленина 1998 |
-
Содержание.
Введение.
Назначение устройства.
Конструктивные особенности и эксплуатационные требования.
Выбор типа производства.
4.1. Сравнительные характеристики методов производства и обоснование применяемого в данном проекте.
Составление блок-схемы ТП изготовления печатной платы.
Выбор материала, оборудования, приспособлений.
Описание техпроцесса.
Приложение 1: Перечень элементов.
Приложение 2: Маршрутные карты ТП.
МТКП. 420501.000 ПЗ
Лист
2
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
1. Введение.
В техническом прогрессе ЭВМ играют значительную роль: они значительно облегчают работу человека в различных областях промышленности, инженерных исследованиях, автоматическом управлении и т.д.
Особенностями производства ЭВМ на современном этапе являются:
Использование большого количества стандартных элементов. Выпуск этих элементов в больших количествах и высокого качества – одно из основных требований вычислительного машиностроения. Массовое производство стандартных блоков с использованием новых элементов, унификация элементов создают условия для автоматизации их производства.
Высокая трудоёмкость сборочных и монтажных работ, что объясняется наличием большого числа соединений и сложности их выполнения вследствие малых размеров.
Наиболее трудоёмким процессом в производстве ЭВМ занимает контроль операций и готового изделия.
Основным направлением при разработке и создании печатных плат является широкое применение автоматизированных методов проектирования с использованием ЭВМ, что значительно облегчает процесс разработки и сокращает продолжительность всего технологического цикла.
Основными достоинствами печатных плат являются:
Увеличение плотности монтажа и возможность микро-миниатюризации изделий.
Гарантированная стабильность электрических характеристик.
Повышенная стойкость к климатическим и механическим воздействиям.
Унификация и стандартизация конструктивных изделий.
Возможность комплексной автоматизации монтажно-сборочных работ.
МТКП. 420501.000 ПЗ
Лист
3
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
2. Назначение устройства.
Данный раздел является связующим между разработкой принципиальной электрической схемы и воплощением этой схемы в реальную конструкцию. Проектируемое устройство предназначено для выполнения операции выравнивания порядков перед сложением чисел. Данная операция производится над числами с плавающей запятой в дополнительном коде. В современных ЭВМ одним из основных элементов является блок АЛУ, которое осуществляет арифметические и логические операции над поступающими в ЭВМ машинными словами. Одной из них является операция выравнивания порядков.
МТКП. 420501.000 ПЗ
Лист
4
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
-
3. Конструктивные особенности
и эксплуатационные требования.
ТЭЗ является составной частью ЭВМ – модулем второго уровня. В ЕС ЭВМ используют 5 модульных уровней, которые могут автономно корректироваться, изготавливаться и налаживаться. Каждому модульному уровню соответствует типовая конструкция, построенная по принципу совместимости модуля предыдущего с модулем последующим.
Модули первого уровня: ИМС, осуществляющая операции логического преобразования информации.
Модули второго уровня. ТЭЗ типовые элементы замены или ячейки. Связующей основой которых, является ПП - печатная плата.
Модули третьего уровня – панели (блоки), которые с помощью плат или каркасов объединяют ТЭЗы или ячейки в конструктивный узел. На этом уровне может быть получена самостоятельно действующая мини-ЭВМ.
Модули четвертого уровня - рамы или каркасы.
Модули пятого уровня – объединение в стойки и шкафы.
Условия эксплуатации ЭВМ могут быть различными, они зависят в основном от климатических воздействий, которые необходимо учитывать при выборе материалов и конструктивных особенностей ЭВМ, кроме того, они определяют программу и объём контрольных испытаний. Для определения влияния окружающей среды на работу ЭВМ рассматривают следующие зоны климата: умеренную, тропическую, арктическую, морскую. Для ракетной и космической аппаратуры учитывают специфику больших высот.
Данное устройство по условиям технического задания будет эксплуатироваться в условиях с повышенной температурой. Следовательно, в методике испытаний необходимо предусмотреть испытания на теплостойкость и тепло прочность.
Исходя из этого наиболее подходящим, является способ изготовления устройства на печатной плате (ТЭЗ 2го уровня) с расположенными на плате микросхемами 555 серии. Так как печатная плата обладает большой поверхностью и будет быстрее охлаждаться, она имеет преимущество перед другими технологиями.
МТКП. 420501.000 ПЗ
Лист
5
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
4. Выбор типа производства.
Типы производства: (Таблица 1.)
Единичным называется такое производство, при котором изделие выпускается единичными экземплярами. Характеризуется: Малой номенклатурой изделий, малым объёмом партий, Универсальным оснащение цехов, Рабочими высокой квалификации.
Серийное – характеризуется ограниченной номенклатурой изделий, изготавливаемых повторяющимися партиями сравнительно небольшим объёмом выпуска. В зависимости от количества изделий в партии различают: мелко средне и крупно серийные производства.
Универсальное – использует специальное оборудование, которое располагается по технологическим группам, Техническая оснастка универсальная, Квалификация рабочих средняя.
Массовое производство характеризуется: узкой номенклатурой и большим объёмом изделий, изготавливаемых непрерывно; использованием специального высокопроизводительного оборудования, которое расставляется по поточному принципу. В этом случае транспортирующим устройством является конвейер. Квалификация рабочих низкая. Также различной может быть серийность: (Таблица 2.)
Таблица 1.Тип
Производства
Количество обрабатываемых в год изделий одного наименования
Крупное.
Среднее.
Мелкое.
Единичное
До 5
До 10
До 100
Серийное
5-1000
10-5000
100-50000
Массовое
>1000
>5000
>50000
Таблица 2.
Серийность.
Количество изделий в год.
Крупные.
Средние.
Мелкие.
Мелкосерийное
3-10
5-25
10-50
Среднесерийное
11-50
26-200
51-500
Крупносерийное
>50
>200
>500
В зависимости от габаритов, веса и размера годовой программы выпуска изделий определяется тип производства.
Тип производства и соответствующие ему формы организации работ определяют характер технологического процесса и его построение. Так как по условию технического задания объём производства равен 100 изделиям в год, то производство должно быть среднесерийным.
МТКП. 420501.000 ПЗ
Лист
6
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
4.1 Сравнительные характеристики методов производства и обоснование применяемого в данном проекте.
Достоинствами ПП являются:
+увеличение плотности монтажа.
+Стабильность и повторяемость электрических характеристик.
+Повышенная стойкость к климатическим воздействиям.
+Возможность автоматизации производства.
Все ПП делятся на следующие классы:
1. Опп – односторонняя печатная плата.
Элементы располагаются с одной стороны платы. Характеризуется высокой точностью выполняемого рисунка.
2. ДПП – двухсторонняя печатная плата.
Рисунок распологается с двух сторон, элементы с одной стороны. ДПП на металлическом основании используються в мощных устройствах.
3. МПП – многослойная печатная плата.
Плата состоит из чередующихся изоляционных слоев с проводящим рисунком. Между слоями могут быть или отсутствовать межслойные соединения.
4. ГПП - гибкая печатная плата.
Имеет гибкое основание, аналогична ДПП.
5.ППП - проводная печатная плата.
Сочетание ДПП с проводным монтажом из изолированных проводов.
Достоинства МПП:
+ Уменьшение размеров, увеличение плотности монтажа.
+ Сокращение трудоёмкости выполнения монтажных операций.
Недостатки МПП:
Более сложный ТП.
По условиям технического задания устройство состоит из 53 микросхем. Следовательно, печатная плата должна быть многослойной. Существует 3 метода изготовления многослойных печатных плат:
1. Металлизация сквозных отверстий.
Данный метод основан на том, что слои между собой соединяются сквозными, металлизированными отверстиями.
Достоинства:
Простой ТП.
Высокая плотность монтажа.
Большое колличество слоёв.
МТКП. 420501.000 ПЗ
Лист
7
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
2. Попарное прессование.
Применяется для изготовления МПП с четным количеством слоёв.
Достоинства:
Высокая надёжность.
Простота ТП.
Допускается установка элементов как с штыревыми так и с
планарными выводами.
3. Метод послойного наращивания.
Основан на последовательном наращивании слоёв.
Достоинства:
Высокая надёжность.
Мпп изготавливают методами построенными на типовых операциях используемых при изготовлении ОПП и ДПП.
Исходя из соображений технологичности производства, я выбираю метод металлизации сквозных отверстий, так как он наиболее подходит к выбранной мною схеме среднесерийного производства.
Так как на среднесерийном производстве используется автоматизация производства, для разработки чертежей платы я использовал программы автоматической трассировки P-CAD, которая создала 4 слоя платы размером 160180 мм. Из этого получается один двухсторонний слой и два односторонних слоя для внешних слоёв.
Выходные файлы системы P-CAD позволяют значительно автоматизировать дальнейший технологический процесс в таких сложных операциях как сверление межслойных отверстий.
МТКП. 420501.000 ПЗ
Лист
8
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
5. Составление блок схемы типового техпроцесса.
Правильно разработанный ТП должен обеспечить выполнение всех требований, указанных в чертеже и ТУ на изделие, высокую производительность. Исходными данными для проектирования технологического процесса являются: чертежи детали, сборочные чертежи, специализация деталей, монтажные схемы, схемы сборки изделий, типовые ТП.
Типовой ТП характеризуется единством содержания, и последовательностью большинства технологических операций для группы изделий с общими конструктивными требованиями.
Типовой ТП разрабатываемый с учётом последних достижений науки и техники, опыта передовых производств, что позволяет значительно сократить цикл подготовки производства и повысить производительность за счёт применения более совершенных методов производства.
При изготовлении ЭВМ и их блоков широко применяют прогрессивные типовые ТП, стандартные технологические оснастки, оборудование, средства механизации и автоматизации производственных процессов.
Учитывается информация о ранее разработанных технологических процессах, особенностях и схемы изделия, типе производства.
Печатные платы – элементы конструкции, которые состоят из плоских проводников в виде покрытия на диэлектрическом основании обеспечивающих
Соединение электрических элементов.
Достоинствами печатных плат являются:
Увеличение плотности монтажных соединений и возможность микро миниатюризации изделий.
Гарантированная стабильность электрических характеристик
Повышенная стойкость к климатическим и механическим воздействиям.
Унификация и стандартизация.
Возможность комплексной автоматизации монтажно-сборочных работ.
Заданное устройство будет изготавливаться по типовому ТП.
Так как он полностью соответствует моим требованиям.
МТКП. 420501.000 ПЗ
Лист
9
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
5.1
Блок схема типового техпроцесса.МТКП. 420501.000 ПЗ
Лист
10
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
5.2 Описание ТП.
Метод металлизации сквозных отверстий применяют при изготовлении МПП.
Заготовки из фольгированного диэлектрика отрезают с припуском 30 мм на сторону. После снятия заусенцев по периметру заготовок и в отверстиях, поверхность фольги защищают на крацевальном станке и обезжиривают химически соляной кислотой в ванне.
Рисунок схемы внутренних слоёв выполняют при помощи сухого фоторезиста. При этом противоположная сторона платы должна не иметь механических повреждений и подтравливания фольги.
Базовые отверстия получают высверливанием на универсальном станке с ЧПУ. Ориентируясь на метки совмещения, расположенные на технологическом поле.
Полученные заготовки собирают в пакет. Перекладывая их складывающимися прокладками из стеклоткани, содержащими до 50% термореактивной эпоксидной смолы. Совмещение отдельных слоёв производится по базовым отверстиям.
Прессование пакета осуществляется горячим способом. Приспособление с пакетами слоёв устанавливают на плиты пресса, подогретые до 120…130С.
Первый цикл прессования осуществляют при давлении 0,5 Мпа и выдержке15…20 минут. Затем температуру повышают до 150…160С, а давление – до 4…6 Мпа. При этом давлении плата выдерживается из расчёта 10 минут на каждый миллиметр толщины платы. Охлаждение ведётся без снижения давления.
Сверление отверстий производится на универсальных станках с ЧПУ СМ-600-Ф2. В процессе механической обработки платы загрязняются. Для устранения загрязнения отверстия подвергают гидроабразивному воздействию.
При большом количестве отверстий целесообразно применять ультразвуковую очистку. После обезжиривания и очистки плату промывают в горячей и холодной воде.
Затем выполняется химическую и гальваническую металлизации отверстий.
После этого удаляют маску.
Механическая обработка по контуру, получение конструктивных отверстий и Т.Д. осуществляют на универсальных, координатно-сверлильных станках (СМ-600-Ф2) совместимых с САПР.
Выходной контроль осуществляется атоматизированным способом на специальном стенде, где происходит проверка работоспособности платы, т.е. её электрических параметров.
МТКП. 420501.000 ПЗ
Лист
11
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
Входной контроль осуществляется по ГОСТ 10316-78
Нарезка заготовок осуществляется станком с ЧПУ СМ-60-Ф2, потому, что этот станок управляется программой совместимой с системой P-CAD
Подготовка поверхности фольгированного диэлектрика: в данную операцию входят две подоперации, одна из них механическая обработка (это обработка с помощью абразивных материалов) и химическая (это обработка с помощью химикатов). На этом этапе заготовка очищается от грязи, окислов, жира и др. веществ.
Получение рисунка схемы. Данная операция основана на фотохимическом методе получения рисунка из-за того, что для данной ПП требуется высокая точность исполнения рисунка. В этой операции содержится 3 операции: нанесение ФР (ФР выбирается сухой, т.к. требуется высокая точность), экспонирование (здесь заготовка проходит через мощное УФ излучение, в процессе чего незащищенный слой ФР засвечивается, и полимеpизyется) и промывка заготовки в воде (для снятия засвеченного ФР).
Травление меди с пробельных мест. Данная операция основана на вытравливании незащищенной поверхности фольгированного ДЭ химическим методом. После травления снимается ФР с защищенной поверхности, затем проводится промывка от химикатов и сушка. После всего этого делается контроль. Проверяется пpотpавленность фольги, сверяется с контрольным образцом.
В операции сверления базовых и крепежных отверстий используется сверлильно-фрезерный станок CМ-600-Ф2 со сверлом D=3mm. Проделываются 4 отверстия для совмещения слоев платы.
Прессование слоев. Формируется пакет из 3х слоёв, слои совмещаются по базовых отверстиям, затем укладывается в пресс-форму и прессуется. Затем производится сушка всего этого пакета. Прессование производится автоматической линией, что обеспечивает полностью автоматизированное прессование.
Операция образование межслойных и монтажных отверстий. Эта операция производиться на станке с ЧПУ CМ-600-Ф2. После образование отверстий требуется очистить плату и края отверстий от заусенцев и прилипших крошек стеклотекстолита. Эта операция производиться гидроабразивным методом. Затем идет подтравливание диэлектрика, промывка от химикатов и сушка. По окончанию производиться контроль на правильность расположения отверстий и их форма.
После идет операция УЗ промывки, сенсибилизация и активация поверхности отверстий. После этого на авто операторной линии АГ-38 идет операция химического мед нения. Этим добиваются нанесения на поверхность отверстий тонкого слоя меди.
МТКП. 420501.000 ПЗ
Лист
12
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
Затем идет операция гальванического осаждения меди. Операция проводиться на авто операторной линии АГ-44. На тонкий слой осаждается медь до нужной толщины. После этого производится контроль на толщину меди и качество её нанесения.
Далее производиться обработка по контуру ПП. Эта операция производиться на станке CМ-600-Ф2 с насадкой в виде дисковой фрезы по ГОСТ 20320-74. В этой операции удаляется ненужный стеклотекстолит по краям платы и подгонка до требуемого размера.
Затем методом сеткографии производиться маркировка ПП. операция производиться на станке CДC-1, который требуемым штампом произведет оттиск на ПП маркировки.
Весь цикл производства ПП заканчивается контролем платы.
Здесь используется автоматизируемая проверка на специальных стендах.
Применяемое оборудование и режимы его использования сведены в таблицу3
МТКП. 420501.000 ПЗ
Лист
13
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
6.Выбор материала.
Для производства Многослойных печатных плат используются различные стеклотекстолиты. Так как по условию моего технического задания устройство должно работать в условиях с повышенной температурой для производства внутренних слоёв платы я использую двухсторонний фольгированный стеклотекстолит с повышенной теплостойкостью СТФ-2. Для внешних слоёв печатной платы я использую аналогичный односторонний фольгированный стеклотекстолит с повышенной теплостойкостью СТФ-1.
Основные характеристики:
Фольгированный стеклотекстолит СТФ:
Толщина фольги 18-35 мм.
Толщина материала 0.1-3 мм.
Диапазон рабочих температур –60 +150 с.
Напряжение пробоя 30Кв/мм.
Фоторезист СПФ2:
Тип негативный.
Разрешающая способность 100-500.
Проявитель метилхлороформ.
Раствор удаления хлористый метилен.
МТКП. 420501.000 ПЗ
Лист
14
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
Таблица 3
-
Операция
Оборудование
Приспособления
Материал
Инструменты
Режимы
1
Входной контроль
Контрольный стол
Бязь
Спирт
Лупа
2
Нарезка заготовок слоёв
Универсальный станок
СМ-600Ф2
Дисковая фреза ГОСТ 20321-74
Стеклотекстолит фольгированный
200-600 об/мин
скорость подачи 0,05-0,1 мм
3
Подготовка поверхности слоёв
Крацевальный станок, ванна
Соляная кислота
30-40
T=2-3 Мин
4
Получение рисунка схемы слоёв
Установка экспонирования, Ванна
Ламинатор
Сухой фоторезист СПФ2
Т=1-1,5 Мин
5
Травление меди
(набрызгиванием)
Ванна
Ротор
40с. 12 Мин
6
Удаление маски
Установка струйной очистки
Горячая вода
40-60
7
Создание базовых отверстий
Универсальный станок
СМ-600Ф2
Сверло 3мм
Программа ЧПУ
Координатор
V=120 об/мин
8
Подготовка слоёв перед прессованием
Автооператорная линия АГ-38
Стеклоткань с 50% термореактивной смолы
9
Прессование слоёв МПП
Установка горячего прессования
Координатор
120-130С. 0,5 Мпа
15-20 мин
10
Сверление отверстий
Универсальный станок
СМ-600Ф2
Сверло 1мм
Координатор
V=120 об/мин
11
Подготовка поверхности перед металлизацией
Установка УЗ очистки.
18-20 КГц
-
12
Химическая металлизация отверстий
Ванна
Рамка крепления
Медь сернокислая CuSo4x5H3O
13
Гальваническая металлизация отверстий
Гальваническая ванна
Рамка крепления
Сернокислый электролит
14
Обрезка плат по контуру
Универсальный станок
СМ-600Ф2
Дисковая фреза ГОСТ 20321-74
15
Маркировка и консервация
Установка сеткографии
СДС-1
Штамп
16
Выходной контроль
Установка автоматизированного контроля.
Программное обеспечение