Обеспечение качества проектирования многослойных печатных плат при конструировании ВЧ-устройств

если не полностью автоматизировать процесс измерения размеров, то существенно облегчить его и внести в этот процесс инновационную нотку.

Авторы предлагают разработать устройство, которое позволит избавиться от использования линеек и штангенциркулей, взяв за основу принцип работы обычной компьютерной мыши.

Само устройство состоит из 2х элементов: дисплея и перчаток с электронными измерительными устройствами.

Суть предельно проста, по типу того, как с помощью мыши мы управляем курсором на мониторе, передавая движение «стрелке» с помощью перемещения первого, по такому же принципу должно работать и устройство.

При первом касании/нажатии кнопки по началу измеряемого объекта задается базовая точка отсчета и при дальнейшем переносе датчика на конец этого объекта и последующего нажатия происходит вычисление расстояния от первой, базовой точки, до конечной.

Полученный результат измерения отображается на дисплее, который, для удобства, может быть исполнен в виде наручных часов.

Использования такого оборудования для измерения деталей позволит чуть ли не в двое сократить время на подготовку и снятия размеров, а также разгрузить инженеров и рабочих тем самым увеличив производительность труда.

Требования к разрабатываемому устройству

Как и у любого оборудования, объекта или техники у нашей разработки должен быть ряд требований.

1. Перчатки должны быть выполнены из материала, который будет максимально комфортен и безопасен для работы и совмещения гибкой платы в нем.

2. Материал, который используется для создания самой платы и материал, который используется для ее крепления/установки на внутреннюю поверхность должен быть максимально прочным и износоустойчивым, для обеспечения долговечности работы устройства.

3. Дисплей устройства, должен выполняться из ударопрочных материалов.

4. Устройство должно иметь возможность заряжаться беспроводным способом для уменьшения шанса загрязнения внутренних элементов, а также защитную крышку для площадки беспроводной зарядки

5. Устройство должно иметь возможность совмещения с ПК.

6. Аккумулятор перчаток должен быть выполнен в виде браслета - «застежки» на перчатках, в районе запястья.

Достоинство и актуальность разрабатываемого устройства

Разработка данного устройства видится нам актуальной по выше перечисленным причинам. Они же

являются и плюсами, к которым можно добавить простоту и удобство в использовании.

Недостатки разрабатываемого устройства

Однако, не смотря на очевидные положительные стороны представленной разработки, существует ряд недостатков.

Первое - в виду того, что этот проект является инновационным, аналогов которому в мире нет, будут возникать проблемы, который на данном этапе разработки и проектировки предусмотреть невозможно.

Второе - на первоначальном этапе понадобится некоторое время, для того, чтобы подобрать максимально выгодный, удобный и безопасный материал для перчаток.

Третье - для максимально правильного, безопасного и комфортного расположения гибкой платы, так же понадобится некоторое время. Это связанно с тем, что для определения оптимального расположения нужно создать опытный образец, по результатам использования которого, будут вычисляться оптимальные варианты.

Четвертое - исполнение самой платы и датчиков, которые будут позволять использовать перчатки для измерений, может встретиться с трудностями корректной работы. А именно задания базовой и конечной точки, точное измерение линейного размера. Также, перед нами стоит очень сложная задача по распознаванию точек в пространстве и их привязки, для получения правильных и точных измерений.

В дальнейшем, планируется развить устройство таким образом, чтобы инженер мог проводить измерения в трехмерной системе координат. В этом случает рабочая программа должна уметь распознать датчики в трехмерном пространстве.

Пятое - компактное и удобное исполнение дисплее не должно ограничивать устройство совмещения с ПК. Это является минусом из-за того, что при установке большого количества девайсов на устройство, оно будет потреблять больше энергии, что скажется на времени его работы. В свою очередь это скажется на затратах во времени в целом, что уменьшит востребованность в устройстве.

Заключение

В заключение следует отметить, что выпускаемые и широко применяемые современные измерительные средства для линейных измерений полностью удовлетворяют по своим функциональным возможностям и точности все потребности современного машиностроительного производства.

Однако создание и внедрение представленного нового оборудования позволит нам сделать еще один небольшой шаг в развитии измерительных устройств и позволит рассматривать старые проблемы и задачи под новым ракурсом, что в свою очередь подтолкнет нас на создание еще более интересных, полезных и кардинально новых устройств и объектов.

УДК: 658.52

Зимин Д.В, , Гриднев В.Н,

ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (МГТУ им. Н.Э. Баумана), Москва, Россия

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ ВЧ-УСТРОЙСТВ

Конструкторы и разработчики высокочастотных схем должны рассчитывать волновое сопротивление печатных проводников и принимать его во внимание при проектировании топологии печатных плат. Тактовые частоты сигналов в микросхемах уже давно превысили гигагерцовый диапазон. Время переключения интегральных микросхем снизилось до 1-2 наносекунд и менее. Для надёжного функционирования разрабатываемых модулей должны соблюдаться элементарные правила проектирования. Схемотехнические решения и выбор комплектующих изделий должны гарантировать прохождение сигнала в гомогенном электрическом поле с использованием схем с контролируемым волновым сопротивлением. Подобные решения должны применяться на стадии проектирования печатной платы, которая является основой модуля

Ключевые слова:

модуль, многослойные печатные платы, высокочастотные схемы, волновое сопротивление

Введение. Многослойные печатные платы (МПП) представляют собой структуру из проводящих и изолирующих слоёв с различными способами электрического соединения проводящих рисунков. В составе проводящих слоёв могут быть: сигнальные слои, слои земли и питания, экранные слои и др. [1] .

В данной статье будут рассмотрены МПП послойного наращивания, где все проводящие слои электрически соединены. Исходными заготовками для изготовления такой платы являются: лист медной фольги и лист перфорированного диэлектрика. Что касается габаритов, то об этом будет сказано далее.

Также хочется отметить, что не бывает оптимального расположения слоёв по определённому порядку не существует. В статье приведена стандартная укладка слоёв, которой пользуются уже больше 10 лет. Стоит ещё отметить, что на конструкцию МПП сильно влияет технология её изготовления.

Основной целью статьи является краткий комплекс рекомендаций по основам проектирования МПП с учётом ВЧ сигналов.

1. Основные проблемы при проектировании МПП

Современные интегральные микросхемы работаю

на частотах свыше 1 ГГц, в действительности же, быстродействие КМОП-логики, на основе которой в настоящее время изготавливаются все интегральные микросхемы, составляет порядка 10 ГГц. Основная проблема заключается в передаче сигналов между микросхемами. Особенно чувствительными являются соединения между процессорами и памятью [2].

Дело в том, что при повышении частоты передачи сигнала по медным проводникам резко возрастают потери и появляются искажения сигнала. В результате увеличивается число ошибок при работе, ухудшается отношение сигнал/шум и появляются ошибки в синхронизации. Кроме того, перекрёстные помехи ограничивают плотность разводки.

Помехи могут как излучаться источниками, так и наводиться на элементы схемы. Количество источников излучения шума велико: ключевые источники питания цифровых схем, источники питания ламп освещения, мобильные телефоны, радио, телевидение, персональные компьютеры и т.д [3].

К сожалению, ошибки при проектировании схем могут быть скорректированы неграмотными разработчиками, используя перемычки или удаляя лишние проводники, но используя подобные решения, можно получить нерабочую схему.

Далее я опишу основные правила проектирования МПП в условиях использования ВЧ сигналов.

2. Общие методы проектирования МПП в условиях ВЧ сигналов

Начнём земли. Для

всего задать такие параметры, как длительность фронтов сигналов, количество сигнальных линий и геометрические размеры ПП.

Далее оценим величины собственной и взаимной индуктивности печатных сигнальных линий для вариантов сплошного слоя земли. На этом этапе, как правило, выясняется, какой из типов системы привязки к земле удовлетворяет техническим требованиям. Если закладывается в конструкцию ПП сплошной слой земли, закладывайте сплошные опорные слои парами, симметрично расположенными по толщине укладки платы. Слои питания могут использоваться в качестве пути наименьшей индуктивности для возвратных токов сигналов. При включении между слоями земли и питания достаточного количества блокировочных конденсаторов линии передачи, проложенные над слоем питания, работают так же хорошо, как и линии, проложенные над слоем земли.

Повышение плотности компоновки схемы обеспечивается, как правило, за счёт повышения плотности трассировки дорожек на ПП. При очень плотной компоновке снижается количество необходимых слоёв платы. Поскольку стоимость ПП пропорционально количеству слоёв и площади платы, то количество слоёв стараются уменьшить [4-7]. Но уменьшение ширины печатных дорожек и промежутка между ними приводит к росту перекрёстных помех и снижению допустимой токовой нагрузки печатных дорожек.

В первую очередь разберёмся с допустимой токовой нагрузкой. Она зависит главным образом от площади поперечного сечения и превышения температуры печатного проводника относительно окружающей среды. Значительный нагрев печатных дорожек вызывает снижение надёжности и нагрев соседних цепей цифровой схемы. На рисунке 1 приведены графики для расчёта температуры нагрева печатной дорожки в зависимости от приложенной к ней токовой нагрузки [8]. По горизонтальной оси

с проектирования слоёв питания и того, чтобы спроектировать систему

координат отложена площадь поперечного печатной дорожки, выраженная в дюймах, тикали - сила тока в амперах.

сечения По вер-

питания и привязки к земле, необходимо прежде

Рисунок 1 - Допустимая токовая нагрузка в зависимости от площади поперечного сечения печатного проводника [8]

Ещё одним ограничением на ширину печатных дорожек являются технологические возможности производства. Независимо от используемой технологии изготовления ПП, по мере уменьшения ширины печатных проводников до предельно допустимого значения, процент выхода годных изделий снижается, а стоимость изготовления - растёт. Нестабильность технологических параметров процесса травления приводит к значительной неравномерности ширины печатной дорожки по длине. Необходимость обеспечения высокой равномерности волнового сопротивления заставляет использовать печатные дорожки шириной, намного превосходящей предельно достижимое минимальное значение [9].

Определить то минимальное количество слоёв, при котором стоимость изготовления ПП окажется

минимальной, можно, только опираясь на опыт и соображения качественного характера. Главным вопросом является правильная оценка шага дорожек, требующегося для прокладки N соединений на плате определённых размеров, состоящей из М слоёв печатных проводников. Зная шаг печатных дорожек, можно оценить стоимость изготовления ПП и расчётный уровень перекрёстных помех. Шаг печатных дорожек определяется плотностью трассировки. Для расчёта плотности трассировки используют множество правил, но основное - правило Рента (ХУ)1/2 г

Ракд "

7]

N

-2,7М,

где: N

количество печатных соединений; Ра1

Средний шаг печатных дорожек в дюймах; X - ширина

платы в дюймах; У - высота платы в дюймах; М -количество слоёв печатных проводников.

Проектирование ПП целесообразнее выполнять по правилам каскадной (в отличие от итеративной) модели жизненного цикла [10] . Дополнительное пространство на плате для прокладки печатных соединений может быть обеспечено за счёт менее плотной компоновки микросхем на плате, но при этом возрастает общая площадь ПП. Если возникает проблема перекрёстных помех, нужно использовать такой вариант трассировки, чтобы печатные дорожки плотно сближались друг с другом только в пространстве между выводами микросхем, а затем сразу же расходились в стороны, пока им не встретится следующая микросхема. Не стоит рассчитывать на то, что удастся использовать для прокладки печатных дорожек более половины свободного пространства между отверстиями под выводы микросхем.

3. Варианты укладки слоёв МПП

Далее рассмотрим технологию производства ПП. При количестве слоёв более 10 разработчики обычно закладывают в плату дополнительные опорные слои земли с целью экранирования групп слоёв печатных проводников друг от друга. Горизонталь-

ная и вертикальная трассировка означают ориентацию печатных дорожек в конкретном слое печатных проводников.

Вопросы этапов автоматизированного системного проектирования печатных плат рассмотрены в работах [6, 10] . На рисунке 2 представлены 4-ёх, 6-ти и 10-тислойная ПП, выполненные по данной технологии [9]. Традиционны принято прокладывать печатные дорожки в одном слое параллельно друг другу. В каждом последующем слое печатные дорожки повёрнуты под прямым углом по отношению к ориентации печатных дорожек в нижнем слое. Только некоторые дорожки прокладываются по диагонали слоя платы или имеют длинные изгибы под прямым углом. При такой ориентации печатных дорожек возрастает эффективность трассировки.

Процесс изготовления МПП начинается с того, что берётся комплект заготовок из двухстороннего фольгированного диэлектрика. В слоях медной фольги, предназначенных для внутренних слоёв печатных проводников, вытравливается рисунок печатных дорожек. Слои медной фольги, предназначенных для наружных слоёв, остаются нетронутыми. Такие заготовки называются основой. Расстояние между слоями печатных дорожек, покрывающих основу, зависит от её толщины.

Рисунок 2 - Укладка слоёв 4-ёх, 6-ти и 10-тислойной печатной платы

Слой горизонтальной трассировки (СГТ), ширина дорожки -0,43 мм, шаг дорожек - 1,25 мм, волновое сопротивление (ВС) -

5 0 Ом;

Препрег, толщина - 0,25 мм; Слой земли;

Основа, толщина - 1,01 мм; Слой питания;

Препрег, толщина - 0,25 мм; Слой вертикальной трассировки (СВТ); ширина дорожки -0,43 мм, шаг дорожек - 1,25 мм, ВС- 5 0 Ом.

СГТ, ширина дорожки - 0,2 мм, шаг дорожек - 0,63 мм, ВС

- 50 Ом;

Препрег, толщина - 0,125 мм; Слой земли;

Основа, толщина - 0,125 мм; СВТ, ширина дорожки - 0,16 мм, шаг дорожек - 0,63 мм; ВС

- 50 Ом;

Препрег, толщина 1,01 мм; СГТ, ширина дорожки - 0,16 мм; шаг дорожек - 0,63 мм, ВС

- 50 Ом;

Основа, толщина - 0,127 мм; Слой питания;

Препрег, толщина - 0,127 мм; СВТ, ширина дорожек - 0,2 мм, шаг дорожек - 0,63 мм, ВС

- 5 0 Ом.

СГТ, ширина дорожки - 0,4 5 мм, шаг дорожек - 1,25 мм, ВС

- 50 Ом;

Основа, толщина - 0,125 мм; СВТ, ширина дорожки - 0,177 мм, шаг дорожек - 0,63 мм; ВС

- 50 Ом;

Препрег, толщина - 0,15 мм; Слой земли;

Основа, толщина - 0,125 мм; СГТ, ширина дорожки - 0,15 мм, шаг дорожек - 0,63 мм, ВС

- 50 Ом;

Препрег, толщина - 0,15 мм; СВТ, ширина дорожки - 0,2 8 мм, шаг дорожек - 1,25 мм; ВС

- 5 0 Ом;

Основа, толщина - 0,4 мм; СГТ, ширина дорожки - 0,15 мм, шаг дорожек - 1,25 мм, ВС

- 50 Ом;

Препрег, толщина - 0,15 мм; СВТ, ширина дорожки - 0,15 мм; шаг дорожек - 0,63; ВС - 50 Ом;

Основа, толщина - 0,125 мм; Слой питания

Препрег, толщина - 0,15 мм; СГТ, ширина дорожки - 0,17 мм; шаг дорожек - 0,63 мм; ВС

- 50 Ом

Основа, толщина - 0,125 мм; СВТ, ширина дорожки - 0,4 5 мм; шаг дорожек - 1,25 мм; ВС

- 5 0 Ом.

Затем основы укладываются в заданном порядке друг на друга, прокладывая между ними препрег, представляющий собой диэлектрическую основу, пропитанную эпоксидной смолой. В процессе горячего прессования происходит размягчение и полимеризация смолы, в результате чего, слои основы склеиваются с препрегом. Толщина препрега после такой обработки определяет расстояние между слоями печатных проводников, между которыми он проложен. Препрег, полимеризуясь, превращается в твёрдый слой стеклотекстолита, имеющий ту же диэлектрическую проницаемость, что и основа. В укладке МПП слои основы и препрега чередуются друг с другом.

Поскольку препрег частично размягчается в процессе горячего прессования, слои печатных дорожек, прилегающие к нему с обеих сторон, вдавливаются в размягчённый материал препрега, обладающий клеящими свойствами. При точном анализе расстояния между слоями печатных дорожек и слоями земли, необходимо учитывать, что с учётом вдавливания слоёв печатных дорожек в препрег, расстояние между обращёнными друг к другу сторонами дорожек, прилегающими к препрегу с обеих сторон, становится меньше толщины препрега на удвоенную толщину дорожек. Сплошные опорные слои металлизации в материал препрега не вдавливаются.

Далее производится химическое осаждение слоя меди на стенки отверстий и одновременно на внешнюю поверхность ПП. В целях сокращения расхода материала и продолжительности этой операции, перед её выполнением на наружную поверхность ПП наносится защитная маска, покрывающая всю поверхность платы за исключением рисунка печатных дорожек, заложенных в трассировку печатной платы, и площадок вокруг отверстий, просверленных в плате.

Завершает процесс изготовления ПП травление рисунка печатных проводников в наружных слоях металлизации. После этого проводники наружных слоёв платы покрываются припоем, паяльной маской и на поверхность с обеих сторон платы методом шелкографии наносится маркировка. Заключение

В заключении следует отметить, что при проектировании сверхбыстродействующих цифровых схем, необходимо прокладывать слои питания и слои земли рядом друг с другом. При такой конструкции системы питания обеспечивается максимальная ёмкостная связь между слоями, что способствует подавлению помех по питанию. Для экранирования слоёв печатных проводников использовать больше слоёв земли, расставлять как можно гуще межслойные перемычки, соединяющие между собой множество слоёв земли. Возвратные токи сигналов по этим перемычкам будут перетекать из одного слоя земли в другой.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гриднев В.Н., Гриднева Г.Н. Проектирование коммутационных структур электронных средств -Москва, 2014. Том 7. 344 с.

2. Алексеев В.Г., Гриднев В.Н., Нестеров Ю.И., Филин Г.В. Технология ЭВА, оборудование и автоматизация - Москва, Издательство "Высшая Школа". 1984. 392 с.

3. Гриднев В.Н., Яншин А.А. Технология элементов ЭВА - Москва, Издательство "Высшая Школа". 1976. 288 с.

4. Юрков Н.К. Технология производства электронных средств // Учебник - Лань, 2014, - 480 с.

5. Юрков Н.К. Технология радиоэлектронных средств // Учебник - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012, - 640

6. Горячев Н.В., Юрков Н.К. Типовой маршрут проектирования печатной платы и структура проекта в САПР электроники ALTIUM DESIGN // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 120-122.

7. Ron Mancini Op Amps For Everyone // Design Reference. 2002. August.

8. Г. Джонсон, М. Грэхем Конструирование высокоскоростных цифровых устройств. Пер. с англ. - М. : Изд. Дом "Вильямс", 2006. - 624 с.

9. Eric Sweetman Maximize high-speed signal integrity with the right choice of cables, layout, and equalizer ICs.

10. Власов А.И., Карпунин А.А., Ганев Ю.М. Системный подход к проектированию при каскадной и итеративной модели жизненного цикла // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 1. С. 96-100.

УДК 623.4:621.396

Таланин А.А., Мазанов А.М. , Закалюкина Л.А., Шамионов М.С., Баннов В.Я.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

ОБЗОР МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

В статье описаны существующие на сегодняшний день методы контроля качества сварных соединений и их суть. В ней рассмотрены визуальный метод, метод просвечивания сварных соединений, ультразвуковой метод, метод керосиновой пробы, магнитографический метод, метод люминесцентной и цветной дефектоскопии, метод химических реакций и метод гидравлических испытаний Ключевые слова:

методы контроля, сварные соединения, дефекты

Любой контроль сварных соединений начинается с внешнего осмотра, с помощью которого можно выявить не только наружные дефекты, но и некоторые внутренние [1-4]. Например, разная высота и ширина шва и неравномерность складок свидетельствуют о частых обрывах дуги, следствием которых являются не провары.

Перед осмотром, швы тщательного очищаются от шлака, окалины и брызг металла. Более тщательная очистка в виде обработки шва промывкой спиртом и травлением 10%-ным раствором азотной кислоты придает шву матовую поверхность, на которой легче заметить мелкие трещины и поры. После использования кислоты нужно не забыть удалить ее спиртом во избежание разъедания металла.

Визуальный контроль сварных соединений выявляет, прежде всего, наружные дефекты - геомет-

рические отклонения шва (высоты, ширины, катета), наружные поры и трещины, подрезы, не провары, наплывы.

Для эффективности контроля используют дополнительное местное освещение и лупу с 5-10 кратным увеличением. Лупа - очень полезный инструмент в данном случае, она помогает выявить многие дефекты, которые нельзя рассмотреть невооруженным глазом - тонкие волосяные трещины, выходящие на поверхность, пережег металла, малозаметные подрезы. Она позволяет также проследить, как ведет себя конкретная трещина в процессе эксплуатации - разрастается или нет.

При внешнем осмотре применяется также измерительный инструмент для замера геометрических параметров сварного соединения и дефектов -штангенциркуль, линейка, различные шаблоны [58] .