Лабораторная работа № 1 «Создание проекта с помощью программы Project Manager сапр Cadence»

Цель работы:

Ознакомиться с возможностями САПР Cadence. Создать проект с помощью программы Project Manager.

1. Теоретическое Введение

Печатные платы являются основным элементом электронной аппаратуры (ЭА), выполняя функции несущей конструкции и коммутационного устройства.

Печатные платы (ПП) широко применяются в бытовой технике, аппаратуре средств связи, вычислительной технике, в системах автоматизации, контрольно-измерительной аппаратуре, в медицинском приборостроении, в автомобильной промышленности и в других областях промышленной электроники.

Одной из проблем в настоящее время является разработка и производство ПП, соответствующих мировому современному уровню, позволяющие обеспечить конкурентоспособность ПП, которая определяется их качеством, надежностью и безопасностью эксплуатации.

Проблема осложняется постоянным ростом функциональной и конструктивной сложности электрорадиоизделий (ЭРИ), устанавливаемых на ПП (например, увеличение на 1—2 порядка числа выводов ЭРИ), а также процессом миниатюризации ЭА, отставанием технологических возможностей межэлементной коммутации, в частности, ПП от уровня интеграции ЭРИ. Все это требует повышения трассировочных возможностей ПП за счет повышения плотности монтажа, увеличения числа слоев многослойных печатных плат (МПП). Таким образом, конструкция и технология сборки электронных модулей на ПП — «электронная сборка» (electronic assembly) требует от производителя ПП постоянного совершенствования конструкции и технологии.

Основными тенденциями развития схемотехнических и конструктивных решений в ЭА являются [1]:

• использование более высоких тактовых частот;

• увеличение степени интеграции ЭРИ (более высокая интеграция функций на кремнии), которая приводит к увеличению числа выводов вход/выход (1/10) — до 1000 и более выводов на корпус ЭРИ и поверхностно-монтируемых компонентов (ПМК);

• рост применения ЭРИ в корпусах ВОА (матрица шариковых выводов), С5Р (корпус в размер кристалла), РС (перевернутый кристалл), МВСА (матрица микрошариковых выводов);

• уменьшение шага расположения выводов ЭРИ до 0,3….0,5 мм;

• увеличение тепловыделения ЭРИ в связи с повышением их функциональной сложности и др.

Все это привело к тому, что в конструировании и технологии ПП основными тенденциями стали:

• значительное увеличение объема производства МПП с микроотверстиями («глухими» отверстиями — microvia) для повышения коммутационной способности ПП;

• необходимость кондуктивного теплоотвода в связи с увеличением плотности компоновки и рабочих частот;

• уменьшение размера контактных площадок и увеличение плотности трасс проводников;

• уменьшение ширины проводников до 0,025...0,050 мм;

• применение материалов с малым температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), совместимых с ТКЛР корпусов и выводов ЭРИ и ПМК;

• уменьшение размеров ПП для снижения затрат;

• увеличение применения разъемов с запрессовкой выводов в отверстия ПП;

• изъятие из производства свинца в связи с проектом ЕС о применении бессвинцовых припоев, что требует от ПП большей нагревостойкости;

• применение негорючих фольгированных диэлектриков не содержащих вредных галогенов и брома и др.

К особенностям производства ПП в России относится [2]:

• развал индустрии ПП в результате экономического кризиса;

• сокращение примерно в 10 раз количества предприятий-изготовителей ПП в период с 1989 по 2000 гг. (с 1000 до 100);

• отток специалистов по ПП в сферу торговли и бизнеса;

• раздробление исследовательских и производственных структур;

• размещение предприятий по производству материалов и оборудования в Молдавии, на Украине, Белоруссии, Литве и других бывших союзных республиках;

• малый выпуск ПП (5...8 % от мирового рынка ПП; примерно 300...500 млн долл.);

• использование на предприятиях, в основном, устаревшего оборудования, отсутствие современной высокотехнологичной производственной базы, обновление которой возможно лишь с привлечением частных инвестиций;

• отсутствие крупносерийного производства ПП (в рабочем состоянии находятся производства только малого и среднего объема);

• возрождение интереса к ПП в России;

• положительная динамика рынка ПП;

• создание Союза развития печатного монтажа и Федеральной программы «Технологическая база России»; •

• необходимость сочетания производства ПП со сборкой функциональных узлов для повышения рентабельности и др.

Неизбежность интеграции с западным рынком ПП и его влияние на отечественное производство требуют заимствования зарубежных стандартов, так как для международного сотрудничества необходим единый подход к стандартизации.

Ведущую роль в разработке нормативной документации по конструированию и изготовлению ПП и электронных компонентов играет IРС (Институт печатного монтажа, США). Поскольку разработка ГОСТов отстает в настоящее время от реальных требований и не соответствует мировым стандартам, в технической документации допускается ссылка на зарубежные стандарты: IРС, МIL (военные стандарты, США) и др.

Разработаны и существуют в стадии проектов восемь новых стандартов циклов разработки ПП, имеющих статус Interim Final, IРС-2511 — IРС-2518 под общим названием СеnСАМ, которые охватывают цикл от разработки ПП до монтажа компонентов и тестирования готовых функциональных узлов.

Для создания полноценного современного производства ПП и электронных модулей требуемых объемов и уровня сложности необходимо восстановление и развитие всей инфраструктуры производства ПП:

• фольгированных диэлектриков;

• фотоматериалов;

• фоторезиста;

• химикатов;

• оборудования;

• сверл, а также организовать обучение специалистов, операторов.

Необходимо обеспечить снабжение производства энергией, водой, обработку и регенерацию отходов производства и др.

Для восстановления индустрии ПП в полном объеме потребуется много времени и капиталовложений. Для этого в первую очередь необходимо профессионально оценить реальное техническое состояние предприятий, на основе этих оценок разработать технические проекты создания новых и планы реконструкции существующих предприятий, восстановить базу подготовки молодых специалистов, операторов и др.

Прогресс в области создания новых технологий межсоединений идет двумя путями:

• совершенствованием процессов изготовления многослойных ПП;

• созданием двусторонних ПП, эквивалентных МПП с повышенной плотностью межсоединений в слое.

Оба направления считаются перспективными.

В зависимости от объема выпускаемых ПП, который исчисляется в тысячах квадратных метров, возможно мелкосерийное, серийное, крупносерийное и единичное производство, для каждого из которых характерна различная степень автоматизации операций.

Функционирование ЭА обусловлено не только схемотехническими решениями, функциональной точностью, надежностью, но и влиянием внешней среды, конструкторскими и эксплуатационными требованиями, многофакторностью процесса изготовления ПП и т. п. Это делает необходимым обеспечение взаимосвязи и согласования проектирования, конструирования и технологии изготовления ПП.

К печатным платам предъявляют те же требования, что и к конструкции ЭА, в состав которых она входит, поэтому исходными данными для проектирования ПП являются:

• назначение ЭА;

• область применения;

• объект установки;

• условия эксплуатации и группы жесткости;

• схема электрическая принципиальная модуля 1-го уровня;

• перечень элементов и пр.

Исходные данные оформляются техническим заданием (ТЗ) на разработку ПП в соответствии с ГОСТ 25123—82.

Последовательность этапов проектирования, конструирования и изготовления ПП можно представить в виде следующей схемы:

• оформление ТЗ;

• конструкторско-технологические расчеты ПП;

• разработка чертежей ПП с помощью САПР: размещение ЭРИ и трассировка проводников наружных и внутренних слоев (МПП);

• изготовление оригиналов рисунка всех слоев;

• изготовление фотошаблонов (ФШ);

• изготовление оригинала паяльной маски;

• поверочные расчеты: на помехоустойчивость, тепловые и пр.;

• технологический процесс изготовления ПП;

• контроль;

• испытания.

В качестве материала основания ПП применяются слоистые диэлектрики (например, спрессованная стеклоткань), с одной или двух сторон фольгированные медной фольгой, или нефольгированные диэлектрики.

Существует два вида технологии получения проводящего рисунка ПП и слоев МПП:

• на основе субтрактивных методов;

• на основе аддитивного метода.

В субтрактивных методах процесс получения проводящего рисунка заключается в избирательном травлении участков фольги фольгированного материала с пробельных мест (места, не закрытые защитной маской).

Рассмотрим последовательность субтрактивного метода изготовления ПП:

• получение заготовки из одностороннего фольгированного диэлектрика;

• нанесение защитного рельефа на участки расположения проводников, контактных площадок через трафарет;

• избирательное травление меди с незащищенных участков заготовки (с пробельных мест);

• получение отверстия.

В аддитивном методе процесс получения проводящего рисунка заключается в избирательном осаждении проводникового материала на нефоль-тированный материал основания ПП (на диэлектрик).

В аддитивном методе отсутствует операция травления меди. Приведем последовательность операций данного метода:

• получение заготовки из нефольгированного диэлектрика;

• сверление отверстия;

• нанесение защитного рельефа (маски);

• получение проводников, контактных площадок и пр. путем избирательного (селективного) осаждения меди на диэлектрик в соответствии с рисунком схемы;

• удаление маски.

Технологический процесс изготовления ПП — сложный многооперационный процесс (порядка 50 операций) с использованием большого количества оборудования (до 40—50 единиц), производственных площадей, требующий не только узкоспециализированных специалистов в области химии, физики, схемотехники, программирования, конструирования ЭА, организации производства, но и специалистов широкого профиля, представляющих все проблемы и пути комплексного решения вопросов, стоящих в настоящее время в производстве ПП.