Прикладное программное обеспечение инфокоммуникационных систем Тема: САПР в

Аркадьевич

Телефон мобильный: 8-926-610-9859, 8-925-603-6373 E-mail: dolin1974@gmail.com, george-dolin@yandex.ru, georgedolin@hotmail.com, e-seminar@mail.ru
skype dolin-george

конкретных задач на конкретных участках работы
Традиционный подход
Передача информ.
Внедрение сквозных

интегрированных Систем Автоматизированного Проектирования
САПР

Автоматизация отдельных конкретных задач на конкретных участках работы

Рисунок 1 – Функциональная схем традиционного подхода к проектированию с использованием САПР

Проблемы:
1. передачи информации между ними,
2. исключения дублирования процессов проектирования.

управления предприятием (ERP- системы).

Системы этой группы функционируют в реальном

времени на всех фазах производства.
(Наиболее закончены и пригодны к применению)

Управление интегрированное.

К таким системам относятся:
- электронный документооборот;
- анализ, планирование;
- финансово-банковская деятельность;
- комплексное управление предприятием;
- бухучет, закупка-учет, склад-реализация, финансы-магазин;
- производство – персонал;
- отношение с клиентами.

(не обязательно функционируют в реальном времени).

Производство сквозное

Такие системы осуществляют:
-

инженерные расчеты;
- анализ электронных схем (CAE);
- проектирование печатных структур;
- проектирование чертежей;
- анализ конструкций

Сквозные системы – за счет передачи проектных результатов от одной фазы другой (CADCAM);

Интегрированные системы - за счет использования единой интегрированной конструкторско-технологической базы данных.

Интегрирована (система) САПР), которое включает 3 крупные системы: 1. САПР-К или

CAD – САПР конструкторского направления: 2. САПР-Т или CAM – САПР технологического направления; 3. АС ТПП или CAE – автоматизированная система технологической подготовки производства. АСНИ - Автоматизированная Система Научных Исследований АКИА - Автоматизированная Контрольная Измерительная Аппаратура ФМК - Физико – Математические Комплексы

Общая структура САПР для разработки и производства электронных систем. Структура САПР предприятия

разработано БПО. Конверторы форматов служат для организации сквозных интегрированных САПР.
Сквозная

САПР – подразумевает автоматическую передачу результатов проектирования от этапа к этапу.

Большое значение имеет ведение баз данных – информационной основы процесса

проектирования и подготовки производства

следующие виды печатных структур:

ДПП – двухсторонние ПП
МПП – многослойные ПП
ГПК

– гибкие ПП и кабели
МКП – многослойные микроплаты на полиамидных пленках
МСБ – низкочастотные микросборки
БИС – большие интегральные схемы
БМК – БИС на матричных кристаллах
ПЛМ – программируемые логические матрицы
МПЛ – микрополосковые СВЧ устройства
АЭУ– акустико-электронные устройства

Виды печатных структур

гибкости:

Жёсткие
Гибкие
По технологии монтажа: Для монтажа в отверстия
Для поверхностного монтажа

Виды печатных плат

Печатная плата, выполненная
поверхностным монтажом

Печатная плата, выполненная
монтажом в отверстия

Гибкая печатная плата

которые могут содержать однослойные, двухслойные и многослойные структуры. Платы могут

быть как полностью гибкими, так и представлять собой комбинацию жестких и гибких частей.

Преимущества гибких печатных плат Благодаря использованию тонких пленок гибкие печатные платы позволяют экономить вес и объем и дают ключ к созданию трехмерных конфигураций.
Гибкость печатных плат позволяет перемещать их составные части независимо, облегчая установку плат в изделие и упрощая их обслуживание в процессе эксплуатации. Можно комбинировать использование технологий изготовления гибких и жестких плат для достижения более плотной установки в ограниченном пространстве

гибкие диэлектрики для производства ГПП - полиимид, полиэстер, лавсан

один проводящий слой





Тип2 - Двусторонняя гибкая печатная плата содержит

два
проводящих слоя и сквозные металлизированные отверстия





Тип3 - Многослойная гибкая печатная плата содержит три и более
проводящих слоя со сквозными металлизированными отверстиями

содержащая (на поверхности или в толще) печатный рисунок, имеющая необходимые

отверстия.
Электронные компоненты на ПП соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка, обычно пайкой (или накруткой или склёпкой, или прессованием)

Печатный рисунок – совокупность печатных проводников и контактных площадок

Печатный узел – это печатная плата с механически и электрически соединенными электронными компонентами и с выполненной пайкой.

Общие сведения о низкочастотных печатных структурах

- для гальванической связи печатных проводников разных слоев)
крепежные отверстия (для

крепления навесных элементов и узла в блоке)
технологические отверстия (используются при изготовлении).

Сторона монтажа ПП – сторона, на которой устанавливаются навесные элементы.
Сторона пайки ПП – сторона, на которой выполняется пайка выводов навесных элементов.

двусторонние -многослойные (МПП)
1 - ОПП (однослойные) используются для одностороннего монтажа

элементов в гладкие (не металлизированные) отверстия.
Весь электрический монтаж осуществляется на одном слое. Для трассировки пересекающихся цепей используются перемычки, выполняемые из медной проволоки.

Достоинства: самая низкая стоимость ПП
Недостатки: - Самые большие габаритные размеры
- Надежность ПП и механическая прочность крепления элементов невысока.
Во избежание отслоения печатных проводников все элементы следует монтировать без зазоров между корпусом элементов и ПП.
Применение: бытовой аппаратуре, в любительских макетных конструкциях

2 - ДПП – известны 2 разновидности: без металлизации и с металлизацией сквозных отверстий.

Конструкции ПП (ОПП, ДПП, МПП),

стоимость
Применение: наиболее распространены в производстве РЭ устройств.

3 - МПП –

многослойные ПП
В многослойных платах внешние слои (а также сквозные отверстия) используются для установки компонентов, а внутренние слои содержат межсоединения. При изготовлении МПП сначала изготавливаются внутренние слои, которые затем склеиваются через специальные клеящие прокладки (препреги). Далее выполняется прессование, сверление и металлизация переходных отверстий.

Достоинства: МПП теоретически обладают неограниченной трассировочной способностью 8-12.

Недостатки: высокая себестоимости изделия зависит от количества слоев. Увеличение числа слоев связано с проблемами металлизации сквозных отверстий (требуется сложное специализированное оборудование и тонкие технологии).

(Ball Grid Array - конструкция корпуса микросхемы с выводами в

виде крошечных металлических шариков, расположенных в виде сетки на его нижней поверхности, которые прижимаются к контактным площадкам на печатной плате без применения пайки).
Преимущество - более низкая стоимость изготовления, увеличение быстродействия и уменьшение размеров). Обычно для BGA микросхем необходимо 6 и более слоев, и лишь изредка можно обойтись четырьмя.

2. применение 2-х и более микросхем с количеством ножек более 100

3. высокочастотные печатные платы, особенно если дело касается аналоговых устройств, часто необходимо заливать всю плату (сверху и снизу) полигоном "ЗЕМЛИ", а сигнальные дорожки проводятся по внутренним слоям многослойной печатной платы

4.  по верхнему и нижнему слою платы можно провести только сигнальные дорожки, а для цепей "ПИТАНИЯ" и "ЗЕМЛИ" обычно добавляются 2 внутренних слоя

платы печатной платы (может быть до 32-х слоев);
2. Форма и

размер печатной платы;
3. Толщина диэлектрика h (h/34. d – шаг конструкторской сетки (например, 1.25мм или 0.625)
5. Ширина трасс t
6. Ширина зазоров между металлизированными участками на плате S
7. Размер и форма контактных площадок (d1 - диаметр отверстия и D - диаметр контактной площадки и переходного отверстия
4.5.6.7. определяются классом точности печатной платы

конструкции ПП (ОПП, ДПП, МПП) осуществляется на основе компромиссного решения,

учитывающего:

- требования к габаритам
- ограничения по стоимости
- возможностей конкретного производства ПП

от конфигурации блоков)

Размер ПП определяется формами и размерами устройства

или рассчитывают по формуле:
Sпп=1/К*Si
где Sпп – площадь ПП;
К – коэффициент плотности компоновки зависит от массогабаритных показателей (0,3 ≤ К≤ 0,8);
К → 0,3 для наземной аппаратуры (1,2 группы) –нет жестких требований к массогабаритным характеристикам изделия
К → 0,9 для бортовой аппаратуры – жесткие требования к массогабаритным характеристикам
Si – установочная площадь, занимаемая i-тым элементом на ПП с учетом стандартно сформированных выводов S=D*L
D – из справочника
L – по ОСТ4ГО.010.30 – разрешенные варианты
Задавшись размером одной из сторон ПП, которая определяется либо по размеру блока, либо по размеру разъема, определяют размер второй стороны.
Соотношение сторон ограничено соотношением 1:3.

элементов ПП (мин. ширина проводников, мин. зазор между элементами проводящего

рисунка, размер монтажных и переходных отверстий.

ГОСТ 23.751-86 предусматривает 5 классов точности ПП. Выбор класса точности всегда связан с конкретным производством.
Параметры классов точности:

t – ширина печатного проводника;
S – расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка;
b – гарантированный поясок;
f – отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине ПП (данный параметр гарантирует прочность ПП): f=dmin/h, где h – толщина ПП
dmin - диаметр наименьшего из металлизированных отверстий

оборудовании. Такие ПП с низкими технологическими параметрами предназначены для недорогих

устройств с малой плотностью монтажа любительского и макетного уровня единичного и мелкосерийного производства.

ПП 3-го класса - наиболее распространены, поскольку, с одной стороны, обеспечивают достаточно высокую плотность трассировки и монтажа, а с другой – для их производства требуется рядовое, хотя и специализированное оборудование.

ПП 4-го класса - выпускаются на высокоточном оборудовании, но требования к материалам, оборудованию ниже, чем для 5-го.

Изготовление ПП 5-го класса требует применения уникального высокоточного оборудования, специальных (как правило, дорогих) материалов, безусадочной фотопленки и создания в производственных помещениях «чистой зоны» с термостатированием. Таким требованиям отвечает далеко не каждое производство.

отверстия dн без учета погрешности его выполнения
dн=dв+Δ,
где

dв – диаметр вывода элемента
Δ – зазор (0,1…0,4мм)
Варьируя параметром Δ необходимо сократить число диаметров монтажных отверстий до 2-х, 3-х.

Диаметр металлизированного монтажного отверстия dм dм=dв+Δ+2hм,
где hм – толщина слоя металлизации.
Согласно ГОСТ диаметр монтажного отверстия должен быть кратен 0,1мм
Диаметр контактных площадок
Dкп ≥ dм +2b,
где b – гарантированный поясок.
Центры отверстий должны располагаться в узлах координатной сетки, кратной 1,25мм
Форма контактных площадок КП 1-го контакта элемента квадратная, остальные круглые.

стеклотекстолит, гетинакс.

Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как

Capton.

В диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью и керамика

Материал основания ПП выбирается с учетом обеспечения стойкости к климатическим и механическим воздействиям в процессе эксплуатации устройства.
Для ПП 1-ой и 2-ой группы жесткости используют гетинакс; Для ПП 3-4 группы жесткости – стеклотекстолит.
(Группа жесткости зависит от класса электронной аппаратуры)

Толщина ПП выбирается исходя из требований механической прочности печатного узла. Выбор толщины ПП h начинают с формулы: f=dmin/h
(обычно с большим запасом)Далее из стандартного ряда: 0,8-1,0-1,5-2,0-2,5-3 мм

Согласно ГОСТ 10316-71 фольгированный материал основания обозначается:
СФ1-35-1,5 односторонний фольгированный стеклотекстолит толщиной 1,5 мм и толщиной медной фольги 35 мкм;
ГФ2-50-2 двухсторонний фольгированный гетинакс толщиной 2мм и толщиной медной фольги 50 мкм.

используются металлические и неметаллические конструкционные покрытия.

Примеры:
1. Металлические конструкционные покрытия

– сплав РОЗЕ – используется для увеличения нагрузочной способности по току улучшения пайки выводов к печатным площадкам

2. Неметаллические конструкционные покрытия – лак УР-231, используется для защиты печатных проводников от электрических замыканий на металлические конструкционные элементы аппаратуры,

на одной стороне платы а трассировка с 1-й, 2-х и

… сторон (в зависимости от выбранной конструкции ПП).
Размещение навесных элементов выполняется неоднократно с целью получения наилучшего результата.

Критерием размещения является правило 2-х минимумов:
- минимум длины печатных проводников;
- минимум числа пересечения печатных проводников.

Правило реализуется при выполнении следующих рекомендаций:
- Если задан разъем на ПП, тогда размещение навесных элементов начинается с размещения разъема, затем элементы, имеющие максимальное количество связей с ним.
- В других случаях сначала размещается элемент, имеющий максимальное количество выводов. Затем вокруг него располагаются элементы, имеющие максимальное количество связей с ним и т.д.

необходимых требований:

1. Обеспечить электромагнитную совместимость печатного узла (чувствительные к наводкам

и мощные каскады или элементы должны быть разнесены как можно дальше друг от друга);

2. Обеспечить тепловую совместимость (теплочувствительные и тепловыводящие элементы должны быть так же разнесены);

3. Обеспечить устойчивость печатного узла к механическим воздействиям (наиболее тяжелые элементы должны быть расположены как можно ближе к точкам крепления ПП);

4. Обеспечить ремонтопригодность ПП (проверка любого элемента и его замена должна выполняться без демонтажа других элементов)

соединений проложить необходимые проводники на плоскости , чтобы реализовать заданные

технические соединения с учетом заранее заданных ограничений (технологических параметров).

Трассиро́вка печатных плат — это пошаговый процесс создания печатных дорожек в одном из САПР печатных плат. Существует два основных способа трассировки:
- ручной — человек самостоятельно с помощью определенных программных инструментов наносит проводники на плату;
- автоматический — программа наносит проводники на печатную плату используя ограничения, наложенные разработчиком.

1. Печатные проводники должны располагаться равномерно по всей площади ПП;
2. Печатные проводники должны быть параллельны сторонам ПП, либо под углом кратным 15 град;
Для ДПП как правило используется ортогональная или координатная прокладка трасс на печатной плате и выполняется по ортогональной конструкторской сетке с шагом d= 1.25 или 0.625, установка контактных площадок и переходных отверстий - в узлах сетки
3. Расстояние от края ПП до ближайшего печатного проводника должно быть не менее толщины ПП;
4. Если пайка ПП выполняется волной, то печатные проводники на стороне пайки должны быть расположены параллельно движению волны припоя.

– основаны на удалении (травлении) медной фольги с фольгированной заготовки.
Достоинства:

наличие оборудования для всех типов производства, высокая прочность сцепления проводников с основанием.
Недостатки: большой расход меди.

2. Аддитивные - основаны на осаждении (фотолитографии) меди на заготовку.
Достоинства: отсутствие операции травления, использование недорогих материалов.
Недостатки: низкая скорость осаждения меди, непригодность для мелкосерийного производства, невысокая прочность сцепления проводников с основанием.

субтрактивным способом из заготовки с тонкой фольгой получают печатный рисунок.
-

Второй этап – аддитивным способом наращивают толщину печатных проводников.
Достоинства: высокая прочность сцепления проводников с основанием (как у субтрактивного способа), малый расход меди (как у аддитивного способа)



Разработчики из Канады объявили о разработке новой технологии производства печатных плат с помощью микроорганизмов

Микролитография - биотехнология основанная на использовании грибных спор. Технологический процесс состоит из нескольких этапов. На первом этапе на заготовку платы наносят рисунок из питательного раствора, затем орошают его спорами некоторых разновидностей низших грибов. Проросшая по контурам рисунка матрица образует 90-нанометровые дорожки, грибы в дорожках затем орошают повторно – на этот раз раствором с примесью растворенных металлов. Затем полученный рисунок закрепляется.
Преимущества данной технологий – низкая цена, позволяет избежать паразитные связи и наводки

в закрытых отапливаемых помещениях

2 группа - стандартная РЭА - эксплуатируется

в закрытых НЕ отапливаемых помещениях
Характеризуются отсутствием механических воздействи

3 группа – возимая РЭА, устанавливаемая в автомобилях, в вагонах и т.д. Характеризуется наличием механических воздействий, вибрацией и жесткими климатическими воздействиями

4 группа – носимая РЭА, предназначена для переноски длительное время как во включенном, так и в выключенном состоянии
Характеризуется наличием менее жестких механических воздействий чем аппаратура 3-й группы

5 группа – портативная РЭА, предназначена для длительной переноски во включенном состоянии (плеер, слуховой аппарат). Характеризуются наличием слабых механических и климатических воздействий

Наземная РЭА
1 группа – стандартная РЭА - эксплуатируется в закрытых отапливаемых помещениях

2 группа - стандартная РЭА - эксплуатируется в закрытых НЕ отапливаемых помещениях
Характеризуются отсутствием механических воздействий

3 группа – возимая РЭА, устанавливаемая в автомобилях, в вагонах и т.д. Характеризуется наличием механических воздействий, вибрацией и жесткими климатическими воздействиями

4 группа – носимая РЭА, предназначена для переноски длительное время как во включенном, так и в выключенном состоянии
Характеризуется наличием менее жестких механических воздействий чем аппаратура 3-й группы

5 группа – портативная РЭА, предназначена для длительной переноски во включенном состоянии (плеер, слуховой аппарат). Характеризуются наличием слабых механических и климатических воздействий

РЭА высокоскоростных самолетов
3 группа – РЭА ракет
4 группа – космическая

РЭА
Характеризуются жесткие механическими и климатическими воздействиями.

Морская электронная аппаратура

1 группа – судовая РЭА
2 группа – корабельная РЭА
3 буйковая РЭА
Характеризуются: 100% влажность, солевой туман, брызги воды, жесткие механические воздействия

стандартов

Стандартизация – это совокупность научно-технических законов, регламентирующих все виды деятельности

при создании изделий и технических средств

на все виды конструкторской документации (КД), включает 183 государственных стандарта.
Основные

стандарты ЕСКД:

действия данной аппаратуры.

ТУ – тех. условия - содержит требования

(совокупность всех показателей, норм, правил) к изделию, его изготовлению, контролю.

ПЗ – пояснительная записка - содержит описание устройства и принципа действия изделия, обоснование технических решений.

В# – списки, ведомости ( ВП -ведомость покупных изделий, ВН - ведомость документов на носителях) помогают упорядочить документооборот (содержат сведения, например, какие изделия следует купить, или какие документы хранятся на машинных носителях)

СБ - чертеж сборочный (по ГОСТ 2.109-73) – конструкторский документ, содержащий изображение сборочной единицы (печатной платы) и данные, необходимые для его сборки и контроля.

СП - спецификации (ГОСТ 2.108-68) – это текстовый документ, в котором приводят наименование и обозначение составных частей

оформляется форматкой и штампом, в которой вносится основная надпись ГОСТ2.104-68
ГОСТ

2.301-68 Форматы

Чертежная конструкторская документация ЧКД

Обязательным сопроводительным документом для схем Э1-Э3 является
Спецификация С – таблица, которая
содержит подробную информацию о всех радиоэлектронных компонентах присутствующих в устройстве: позиционное обозначение элемента на схеме, наименование элемента, количество штук.

Сборочные чертежи печатных плат выполняются с соблюдением масштаба

в отдельных функциональных цепях. Используется для изучения принципов работы изделий,

при их наладке, контроле, ремонте.

В зависимости от основного назначения различают следующие типы схем:

Э1 Структурные - это схемы, определяющие основные функциональные части изделия, их назначение и взаимодействие. Разрабатывают их на начальных стадиях проектирования. Служат для общего ознакомления с изделием. Структурная схема содержит описание в виде условных обозначений основных составных частей РЭС и основных связей между ним.

Типы электрических схем Гост 2.705-75 .

Э3 Принципиальные (полные) - схема, содержит описание всех составных частей и всех связей между ними. Используется при наладке, контроле, ремонте. Служат основанием для разработки других конструкторских документов.

– таблица, которая содержит подробную информацию о всех радиоэлектронных компонентах

присутствующих в устройстве: позиционное обозначение элемента на схеме, наименование элемента, количество штук.

Э4 Соединений (монтажные)– показывают соединения составных частей изделия, определяет провода, жгуты, кабели, трубопроводы

Э5 Подключения– показывают внешние подключения изделия

Э6 Общие – определяют составные части комплекса и соединения их между собой на месте эксплуатации. Пользуются при ознакомлении с комплексами.

Э7 Расположения– определяют относительное расположение составных частей изделия, жгутов, проводов, кабелей и т.д.

Э0 Объединенные– схемы, когда на одном конструкторском документе выполняют схемы двух или нескольких типов на одно изделие.

Чертежи электрических схем выполняют без соблюдения масштаба

2.316-68 Правила нанесения на чертежах надписей, технических требований и таблиц
ГОСТ

2.701-84ЕСКД Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению
ГОСТ 2.705-82 Правила выполнения электрических схем

ГОСТ 2.004-88 ЕСКД Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов
ГОСТ 2.104-68 ЕСКД Основные надписи
ГОСТ 2.106-96 ЕСКД Текстовые документы
ГОСТ 2.109-73 ЕСКД Основные требования к чертежам
ГОСТ 2.321-84 ЕСКД Обозначения буквенные

Шрифты
ГОСТ 2.316-68 Правила нанесения на чертежах надписей, технических требований и

таблиц
ГОСТ 2.701-84ЕСКД Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению
ГОСТ 2.705-82 Правила выполнения электрических схем

ГОСТ 2.004-88ЕСКД Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов
ГОСТ 2.104-68ЕСКД Основные надписи
ГОСТ 2.106-96ЕСКД Текстовые документы
ГОСТ 2.109-73ЕСКД Основные требования к чертежам
ГОСТ 2.321-84ЕСКД Обозначения буквенные

предназначена для автоматизации процесса подготовки производства ПП, начиная от этапа

создания и моделирования схемы электрической принципиальной и заканчивая подготовкой и выпуском управляющих программ на станки с ЧПУ для изготовления ПП.

Используется в основном для разработки цифровых устройств.

1989г. – P-CAD 4.5 под DOS популярна более 10 лет (Personal CAD Systems)
2001-2006г. – P-CAD под Windows (CADAM Company, Altium)
2008 - прекращена поддержка ПО

P-CAD автоматизирует процесс проектирования многослойных ПП электронных устройств и включает:
1. создание схемы электрической принципиальной Э3
2. перенос (упаковку) схемы на ПП
3. ручное размещение компонентов на ПП
4. автоматическую, интерактивную, ручную трассировку проводников
5. выпуск конструкторской и технологической документации

электрической схемы
изображение посадочного места для печатной платы
текстовая информация

взаимосвязей между символами элементов и их посадочными местами

Pin

Pad

РТУ;
выбор программных средств разработки САПР;
разработка алгоритмического обеспечения синтеза

и анализа структурных и принципиальных схем РТУ;
разработка алгоритмического обеспечения формирования и использования БД электронных компонентов;
создание комплекса программных средств автоматизации сквозного проектирования РТУ.

БЗ
Синтез структурной схемы
Синтез принципиальной схемы
Анализ по постоянному и переменному

току; температурные, частотные и временные характеристики; устойчивость …

Проектирование – конструирование плат и корпуса изделий

Многокритериальный анализ и выдача рекомендаций по ремонту или повышению эффективности работы

Продукционная ЭС

Объектно-ориентированная ЭС

Графический редактор схем и УГО, методы узловых потенциалов и переменных состояния

Семантическая ЭС

База данных параметров электронных компонентов …

участия в разработке малоквалифицированных пользователей.
Возможность проектирования широкой номенклатуры РТУ.
Возможность нахождения

наиболее предпочтительного результата проектирования.

алгоритма работы БД электронных компонентов

«ОБУЧЕНИЕ» продукционной ЭС

работы интерпретатора правил продукционной ЭС

объектно-ориентированной ЭС
Структурная схема алгоритма режима «ПРОЕКТИРОВАНИЕ» объектно-ориентированной ЭС

объектно-ориентированной базе знаний ЭС

РТУ

предварительного усиления на комплексной плоскости