Projektowanie urządzeń elektronicznych Projektowanie, technologie montaŝu i lutowania, uruchamianie, produkcja Kolejne kroki w projektowaniu - projekt wstępny i symulacja 1. Projekt wstępny - wybór struktury układu, - wstępne obliczenia ręczne, noty aplikacyjne producentów np.: www.alldatasheet.com - symulacja komputerowa jeżeli możliwa/konieczna/pomocna: Pspice, Orcad, Multisim (free AD), Altium Designer, Tina (free TI), SmartSpice, Hspice, T- Spice, Spectre (RF), Eldo (RF), UltraSim, LT Spice (free LT), NanoSim, Nspice, Hsim, B2Spice, ICAD/4, EDSpice,WINecad, TopSpice, Spice Opus, SiMetrix, Micro-cap, Microwave Office (RF), Ansoft Designer (RF), Sonnet Lite (RF, EMC) wersje Open Source (ngspice, tclspice) Czy symulacja jest wystarczająca? Jak dokładne są stosowane modele? Czy warto zaglądać do materiałów dostarczanych przez producentów elementów (data sheet, application notes)? 1
Kolejne kroki w projektowaniu - symulacja Odpowiedź, np.: John Ardizonni, Which carries more weight, a datasheet or SPICE macromodel? Artykuł zawarty w: Analog Devices Technical Support, Autor zajmuje stanowisko: Senior Application Engineer at Analog Devices in the High Speed Linear group. Istnieją symulatory pozwalające określić rozkład natężenia pola EM i rozkład temperatury na płytce ze zmontowanym układem elektronicznym. Kolejne kroki w projektowaniu - PCB 2. Projektujemy PCB (Printed Circuit Board): Altium Designer (Easytrax, Autotrax, Protel), Eagle,Spectra i Allegro (autorouting), CadStar, Orcad, Tina, Circuit Maker, P-Cad, PCB Elegance, EDWin, VisualPC, BPECS32, Expert PCB, CirCAD, Layout, McCAD, EPD (RF, hybrid), geda (free linux), ZenitPCB (free), PCB (free), KiCAD (free) Grubość miedzi: 5/9/17.5/35/70/105 µm. Grubość laminatów: 0.8 6 mm jednowarstwowe, 0.05 0.75 mm wielowarstwowe. 2
Kolejne kroki w projektowaniu - PCB Obwody dzielimy na: - jednowarstwowe (laminaty o różnych grubościach, miedź zazwyczaj 35 µm), małe upakowanie elementów - dwuwarstwowe (metalizacja otworów, via itp..), obwody mikrofalowe, duże upakowanie elementów - wielowarstwowe (pola lutownicze na warstwach zewnętrznych, micro via, brak klasycznych via), bardzo duże upakowanie elementów - elastyczne obwody drukowane Kolejne kroki w projektowaniu - PCB Na co musimy zwrócić uwagę! Zasady projektowania PCB, związane z: - sposobem/łatwością montażu (przewlekany, powierzchniowy, mieszany) - kompatybilnością i zakłóceniami (kolejne wykłady) - odprowadzaniem ciepła (kolejne wykłady) - budową mechaniczną projektowanego urządzenia - odpornością mechaniczną 3
Kolejne kroki w projektowaniu - PCB Zasada podstawowe: - najpierw wybieramy producenta obwodu drukowanego i uzyskujemy informację jakie wprowadza on ograniczenia technologiczne (min. grubość ścieżek; max. liczba warstw; minimalne wymiary punktów lutowniczych, otworów, via itp.) - gromadzimy/sprawdzamy dostępność elementów, które będą użyte w układzie. Dlaczego przed wykonaniem płytki? - jeżeli wybrana jest obudowa musimy projektując PCB uwzględnić jej wymiary, odpowiednio rozmieścić gniazda, manipulatory, wyświetlacze, odprowadzanie ciepłą itp. Kolejne kroki w projektowaniu - PCB Inne zasady: - należy pamiętać o umieszczeniu punktów pomiarowo/testowych jeżeli są wymagane - w celu wyrównania pojemności cieplnych szerokość ścieżki nie powinna przekraczać 1/3 średnicy pola lutowniczego - nie zakręcać ścieżek pod kątem 90 stopni - każde wyprowadzenie układu scalonego powinno mieć swoje pole lutownicze Standardowy raster projektowy (2.54mm 0.1 cala) 4
Kolejne kroki w projektowaniu - PCB Rodzaje elementów i typ montażu: - elementy przewlekane PTH (Pin Through Hole); montaż przewlekany THT (Through Hole Technology) - elementy do montażu powierzchniowego SMD (Surface Mounted Devices); montaż powierzchniowy SMT (Surface Mounted Technology) Kolejne kroki w projektowaniu - PCB Zalecane wymiary pól lutowniczych przy montażu przewlekanym i powierzchniowym 5
Kolejne kroki w projektowaniu - PCB Kolejne kroki w projektowaniu - PCB Należy pamiętać, że ścieżka jest rezystorem i występuje na niej spadek napięcia: l U = ρ I db gdzie: ρ - rezystywność (dla miedzi równa 0.0175 Ω mm 2 /m) l długość ścieżki d grubość folii b szerokość ścieżki I płynący prąd 6
Kolejne kroki w projektowaniu - PCB Zazwyczaj stosuje się znormalizowane szerokości ścieżek: - sygnałowe w modułach z układami scalonymi: 0.2, 0.3 i 0.4 mm - sygnałowe w modułach z elementami dyskretnymi 0.6, 0.8 i 1 mm - zasilające i uziemiające: 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 4.0 i 6.0 Kolejne kroki w projektowaniu - PCB Rezystancja ścieżek dla różnych wymiarów i temperatur 7
Kolejne kroki w projektowaniu - PCB Dopuszczalne napięcie dla różnych odległości pomiędzy ścieżkami: A częściowe wyładowanie, B powyżej wysokości 1000m, w zakresie wysokości 1000 3000m, w zakresie wysokości 3000 15000m (Prawo Paschena) Kolejne kroki w projektowaniu - PCB Wymiary pól kontaktowych 8
Kolejne kroki w projektowaniu - PCB Kolejne kroki w projektowaniu - PCB Ważna przy rozmieszczaniu elementów jest też technika stosowanego lutowania (np. falą) 9
Kolejne kroki w projektowaniu - PCB Wykonanie PCB prototypu: 1. Samodzielne np. metodą termotransferu, metodą światłoczułą 2. Zlecenie producentom obwodów drukowanych - przygotowanie (wydruk) pozytywu widoku płytki i wykonanie PCB metodą sitodruku (metoda już rzadko stosowana ale tania) - dostarczenie plików z programu do projektowania PCB ( *.pcb lub pliki typu gerber) Po fizycznym wykonaniu PCB możliwe jest sprawdzenie poprawności połączeń. Kolejne kroki w projektowaniu - montaŝ Należy uwzględniać sposób późniejszego montażu! 10
Kolejne kroki w projektowaniu - montaŝ Należy uwzględniać sposób późniejszego montażu! Kolejne kroki w projektowaniu - montaŝ Montaż mieszany I rodzaju: elementy przewlekane po jednej stronie, a powierzchniowe po drugiej 11
Kolejne kroki w projektowaniu - montaŝ Montaż mieszany II rodzaju: elementy przewlekane i powierzchniowe po jednej stronie, a po drugiej tylko powierzchniowe Kolejne kroki w projektowaniu Prototyp najprawdopodobniej zlutujemy ręcznie. Następny krok uruchomienie układu. Kolejny - optymalizacja schematu, wartości elementów i PCB. Potem wykonanie wersji ostatecznej, pomiary końcowe, certyfikaty CE i produkcja. 12
Luty - SnPb Lut ołowiowy SnPb różne firmy oferują spoiwa różniące się składem i poziomem zanieczyszczeń. Najczęściej w elektronice stosowane spoiwa o zawartości od 60% Sn i 40% Pb do 65% Sn i 35% Pb przy czym najpopularniejszy jest stop eutektyczny 62% Sn i 38% Pb o temperaturze topnienia 183 st. C. Wykonanie prawidłowe połączenia SnPb wymaga wyższej temperatury grotu lutownicy ( 300 0 C SMD, 320 370 0 C PTH). Luty - SnPb Występowanie procentowe innych pierwiastków (zanieczyszczenia) w spoiwie SnPb 13
Topniki Luty luty bezołowiowe Materiały bezołowiowe dwie dyrektywy EU: -nr 2002/96/EC Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEEP - nr 2002/95/EC Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment (RoHC) 14
Luty luty bezołowiowe Zagadnienia, które należy wziąć pod uwagę podczas lutowania bezołowiowego: - whiskersy i technologia whiskers free Luty luty bezołowiowe Zagadnienia, które należy wziąć pod uwagę podczas lutowania bezołowiowego: - wzrost temperatury topnienia spoiwa o 20 40 0 C w porównaniu do SnPb Przykładowy wykres temperaturowy lutowania bezołowiowego w piecu 15
Luty luty bezołowiowe Zagadnienia, które należy wziąć pod uwagę podczas lutowania bezołowiowego: - konieczność stosowania narzędzi lutowniczych o wyższych temperaturach pracy - konieczność stosowania grotów o podwyższonych temperaturach pracy - konieczność stosowania topników przeznaczonych do lutów bezołowiowych - lutowanie w warunkach beztlenowych (np. azot) Luty luty bezołowiowe 16
Luty luty bezołowiowe Sn96.5Ag3.5 stosowany w elektronice motoryzacyjnej, zwłaszcza umiejscowionej w silniku, słaba zwilżalność Sn99.3Cu0.7 słaba zwilżalność własna, powierzchnia chropowata, dobrze zwilża powierzchnie pokryte Pb, słabe właściwości mechaniczne, stosowany do lutowania falą, tańszy od większości stopów Pb-free, stosowany przy montażu telefonów Sn95.5Ag3.8Cu0.7 dobra zwilżalność, jakość i niezawodność połączeń lepsza niż dla SnPb, wysoka cena Luty luty bezołowiowe Dodawanie do stopu SnAgCu niewielkich ilości innych pierwiastków (np.. Kobalt) poprawia właściwości stopów, np. Sn Ag0.3 Cu0.7 Co0.03 W rzeczywistości luty Pb free podobie jak z Pb posiadają całą gamę pierwiastków oprócz podstawowych, wymienionych w nazwie. Przykładowy skład ww. stopu: 17
Luty pasty lutownicze Pasta lutownicza zawiesina proszku lutowniczego w nośniku. Proszek wykonany ze stopu eutektycznego. Nośnik mieszanina kalafonii i rozpuszczalników ułatwiających drukowanie i lutowanie. Luty pasty lutownicze Szablon do nadruku pasty lutowniczej. 18
Luty pasty lutownicze Cechy charakterystyczne: - wysychanie w przeciągu 3 4 godzin (pogorszone właściwości) - trwałość 2 miesięcy, przedłużona do 6 gdy przechowujemy w temperaturze 2-10 0 C - wrażliwa na podgrzewanie, wilgoć i zamarzanie - absorbuje wilgoć - zmywalna alkoholem izopropylowym Przykłady Czas na filmy 19