Разработал Шитов А.Р.

Термометр-термостат на микроконтроллере

Пояснительная записка

МТКП 130119.000ПЗ

Т41 – 07

Руководитель разработки Крестников В.А.

Разработал Шитов А.Р.

Содержание

Введение4

1 Назначение, область применения и условия эксплуатации5

2 Конструкторский раздел6

2.1 Выбор варианта конструкции модуля6

2.2 Анализ электрической принципиальной схемы модуля6

2.3 Анализ элементной базы8

2.4 Выбор типа конструкции ПП10

2.5 Выбор класса точности ПП11

2.6 Выбор метода изготовления ПП13

2.7 Материалы для изготовления ПП14

2.8 Выбор базовых материалов14

2.8.1 Выбор материала основания ПП14

2.8.2 Определение толщины основания ПП16

2.8.3 Выбор материала защитного покрытия ПП16

2.9 Выбор расходных материалов17

2.9.1 Выбор флюса17

2.9.2 Выбор припоя19

3 Расчетная часть20

3.1 Расчет элементов проводящего рисунка20

3.1.1 Расчет диаметра монтажных отверстий20

3.1.2 Расчет ширины печатных проводников21

3.1.3 Расчет диаметра контактных площадок22

3.1.4 Расчет площади и выбор габаритных размеров ПП22

3.2 Расчет технологичности модуля23

3.3 Расчет надежности25

4 Технологический раздел27

4.1 Выбор типа производства27

4.2 Составление маршрутного ТП сборки27

4.3 Разработка технологических операций сборочных работ31

Заключение33

Список используемых источников34

Маршрутно-операционная карта

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Перечень элементов

Спецификация

Введение

Для управления электрическими системами отопления, системами комфортного подогрева пола, а также другими электрическими отопительными приборами как правило используются термостаты.
Электронные термостаты автоматически поддерживают заданную температуру путём включения/выключения нагрузки (нагревательного элемента системы отопления) в зависимости от показаний датчика температуры, учитывая также влияние дополнительных источников тепла (солнце, бытовые электроприборы и т.п.).

Как правило, основой различных электронных цифровых термостатов является преобразователь температура—частота и измерительная часть на дискретных цифровых элементах, преобразующих измеренную частоту в показания температуры. Построенный на дискретных элементах преобразователь температура—частота требует калибровки и позволяет достичь приемлемой точности в довольно ограниченном интервале (из-за нелинейности температурных характеристик элементов). Применение современной элементной базы — микроконтроллеров и специальных датчиков — значительно упрощает схемотехнику устройства с одновременным повышением функциональности и точности измерений.
Термостаты имеют режим экономии электроэнергии, позволяющий существенно снизить энергозатраты на отопление, а так же они имеют режим ограничения температуры, позволяющий ограничивать max и min температуру при заданной температуре воздуха. Ограничение температуры позволяет защитить нагревательный элемент от чрезмерного перегрева.

Задачей курсового проекта является разработка печатной платы этого устройства.

1. Назначение и условия эксплуатации приборов данного типа.

Основой таких термостатов - является популярный микроконтроллер (МК) PIC16F84A. Для измерения температуры использован интегральный цифровой датчик DS18B20 фирмы MAXIM. Эта микросхема не требует калибровки и позволяет измерять температуру окружающей среды от -55 до +125°С, причем в интервале -10...+105°С производитель гарантирует абсолютную погрешность измерения не хуже ±0,5 °С. Датчик DS18B20 - наиболее совершенный из широко известного семейства DS18X2X. В отличие от функциональных аналогов DS1820 и DS18S20 он перед началом измерения позволяет задать необходимую относительную точность преобразования температуры из следующего ряда значений: 0,5; 0,25; 0,125 и 0,0625 °С, при этом время измерения равно соответственно 93,75; 187,5; 375 и 750 мс.

Обмен управляющими командами и данными между датчиком и МК, работающим на частоте 4 МГц, осуществляется по однопроводной двунаправленной шине передачи данных. Каждый экземпляр DS18B20 имеет уникальный 48-битный номер, записанный с помощью лазера в ПЗУ в процессе производства, что позволяет подключать к одной шине практически любое число таких приборов. Ограничивающим фактором является в основном только общее время, затрачиваемое на последовательный опрос всех датчиков, подключенных к сети.

Предназначен для измерения и поддержания температуры жидкости в электрическом термосе. Термометр может измерять температуру от 0…+100ºС. Термостат поддерживает температуру до 80ºС

2 Конструкторский раздел

2.1 Выбор варианта конструкции модуля

Устройство является модулем первого уровня, исходя из особенностей конструкции. Электрическая схема будет выполнена печатным узлом на печатной плате с последующим монтажом ЭРЭ.

Общее число выводов ЭРЭ менее 300. Следовательно, устройство соответствует малой конструктивной сложности. Общее количество ИМС менее 12. Следовательно, устройство имеет малую функциональную сложность.

Расчет суммарной допустимой мощности потерь не требуется, так как в данном модуле используется микросхема DA1 с мощностью рассеивания 8 Вт, это еще раз подтверждает что устройство должно быть выполнено в виде модуля первого уровня.

2.2 Анализ электрической принципиальной схемы модуля

1) Определим назначение модуля первого уровня:

Устройство является цифровым и конструируется в виде линейки последовательных каскадов. В ней не применяется максимально плотная компоновка ЭРЭ, что находит отражение в конструкции печатной платы, в плотности печатного монтажа, класса точности печатной платы, материале, методе изготовления ПП.

Устройство поддерживает определяет температуру с высокой точностью. Принцип работы основан на измерении температуры от из сопротивления терморезистора.

2) Определим факторы, влияющие и усложняющие компоновку конструкции модуля и печатной платы:

К таким факторам в разрабатываемом устройстве относятся одна

микросхема имеющая восемнадцать выводов, у которой мощность рассеивания 8 Вт, однако она имеет встроенный радиатор, что позволяет максимально снизить перенос тепла на плату. Данное устройство работает на частоте 4 МГц. Эта частота относится к диапазону средних частот. Следовательно, для реализации схемы будут использованы среднечастотные материалы.

Определим все типы электрических соединений:

· Входная цепь (цепь питания).

Она содержит диодный мост и стабилизатор напряжения. Так же

имеет необходимый набор сопротивлений и емкостей для фильтрации по питанию, а так же обеспечивающих защитную функцию.

· Цепь управления.

Она состоит из микроконтроллера DD1

· Цепь импульсных сигналов.

Состоит из тактирующего генератора ZQ1, который на выходе

формирует последовательность прямоугольных импульсов высокого уровня.

· Цепь индикации.

Имеет Цифровой индикатор BQ-M51DRD

3) Определим напряжение и силу тока электропитания:

На плату подается напряжение с понижающего трансформатора 2х16В

и силой тока 0,75 А.

Таблица 1

Максимальная частота, Гц

Напряжение, В

Сила тока, А

Быстродействие, С

Уровни логической «1»

Уровни логического «0»

Цепь

Теплонагруженные ЭРИ

Входная

Выходная

Земля

Питание

Высоко-частотная

Импульсных сигналов

2х16

0,75

-

есть

есть

есть

есть

есть

есть

есть

есть

есть

4) Выводы:

Схема первого уровня простая и компактная. Она не имеет особенных

требований к плотности компоновки ЭРИ, к конструкции печатной платы, к плотности печатного монтажа. Объясняется это несколькими причинами. Первое, это то что схема имеет стандартные элементы, которые не требуют специального позиционирования и изменения конструкции печатной платы. Второе, это то что устройство первоначально разрабатывается, как максимально простое и обходящееся минимальными затратами.

2.3 Анализ элементной базы

1) Проанализируем элементную базу.

Элементную базу разрабатываемого устройства составляют

элементы для навесного монтажа. Все элементы совместимы друг с другом по электрически, электромагнитным и конструктивным параметрам.

2) Определим конструктивную сложность модуля.

Разрабатываемый модуль первого уровня имеет малую конструктивную

сложность, т.к. в нем используется малая насыщенность поверхности

печатной платы менее 300 ЭРЭ и он имеет всего 1 ИМС.

3) Выбираем шаг координатной сетки.

Исходя из шага расположения выводов ИМС, для удобства их

расположения на печатной плате, прокладки проводников для соединения их с другими ЭРЭ, выбираем шаг координатной сетки равный 2,54 мм.

4) Выбираем форму контактных площадок.

Контактные площадки и отверстия будут круглые, так как для

разрабатываемого модуля выбрана элементная база навесного монтажа со штыревыми выводами.

Таблица 2

Наименование ЭРИ	Количество, шт.	Конструктивные параметры	Допустимые условия эксплуатации
Масса, г.	Количество выводов, шт.	Диаметр выводов, мм/ Ширина выводов, мм	Штыревые или планарные	Установочная площадь, мм2	Интенсивность отказов, 1/ч	Диапазон температур, °С	Вибрации	Ударные перегрузки, g	Линейные ускорения, g
Частота, Гц	Перегрузки, g
Конденсатор К50-35				0,6	штыревые		0,1*10-6	-40…+105	-	-	-	-
Конденсатор К50-129				0,6	штыревые	75,6	0,15*10-6	-60…+105	-	-	-	-
Микросхема PIC16F84A		4,2		0,5	штыревые	83,2	0,25*10-6	-40…+125	-	-	-	-
Стабилизатор напряжения КР142Е5А				0,6	штыревые	47,6	0,5*10-6	-45…+85	-	-	-	-
Цифровой индикатор BQ-M51DRD оАО.63.154ТУ		6,2		0,5	штыревые		1*10-6	-40…+95	-	-	-	-
Резистор МЛТ		0,05		0,5	штыревые	10,8	10*10-6	-55…+125	-	-	-	-

Продолжение таблицы 2

Выключатель ВО100Г-18-13				-	штыревые	-	0,2*10-6	-45…+75	-	-	-	-
Диод КД212				0,8	штыревые	30,4	0,45*10-6	-60…+85	-	-	-	-
Диод КД522		0,15		0,5	штыревые	15,2	0,3*10-6	-55…+85	-	-	-	-
Транзистор КТ829А				0,7	штыревые		0,2*10-6	-45…+65	-	-	-	-
Кварцевый резонатор 4 МГц		1,6		0,7	штыревые		0,18*10-6	-55…+125	-	-	-	-

5) Выводы:

При разработке устройства было принято решение использовать

корпусную традиционную элементную базу для навесного монтажа со штыревыми выводами, круглыми отверстиями и контактными площадками под них. Был выбран шаг координатной сети 2,54 мм исходя из параметров

используемых микросхем, а так же была определена малая конструкторская сложность ФУ.

2.4 Выбор типа конструкции ПП

Разрабатываемое устройство имеет общее число выводов ЭРЭ менее 300 штук, что соответствует малой конструктивной сложности. Схема устройства содержит всего 1 ИМС. Всё это позволяет сделать выводы о том, что устройство может быть реализовано на односторонней печатной плате (ОПП). Обычно ОПП применяются в бытовой технике, технике связи и блоках питания на ЭРЭ. Они имеют низкую стоимость, высокую надежность, низкую плотность монтажа. Разрабатываемое устройство по своему назначению относится к этим группам или близким к ним. Для реализации устройства будет применена элементная база навесного монтажа.

По ГОСТ 23752 – 79 прибор соответствует четвёртой группе жесткости и имеет следующие требования к конструкции печатной платы, материалу основания и защиты от климатических, механических и других

воздействий:

· Пониженная температура – до -25°С.

· Повышенная температура – до +55°С.

· Относительная влажность – до 75% при температуре до 35°С.

· Атмосферное давление – 86000…106000 Па, или 630…800 мм рт. ст.

По экономичности разрабатываемого устройства, рассчитанные

показатели: экономичность пространственной компоновки схемы изделия Кдоп.=0,023, экономичность окончательного проектирования при переходе от схем к рабочим чертежам Квсп.=0, экономичность конструктивного оформления изделия в целом Кэк.=0,4 близки к нулю. Это означает, что разрабатываемая плата термометра-термостата экономична.

По технологичности разрабатываемого устройства, рассчитанные

показатели: коэффициент стандартизации Кст.=0,977, коэффициент унификации Куниф.=0,977, коэффициент повторяемости Кповт.=6,14 характеризуют высокую технологичность конструкции стабилизатора температуры жала паяльника, а именно коэффициенты стандартизации и унификации близки или равны 1, а коэффициент повторяемости стремится к бесконечности, что способствует повышению производительности труда, снижению трудоёмкости изготовления и снижению себестоимости изделия.

В данном производстве возможна автоматизация процессов формовки выводов ЭРЭ и лужения выводов ЭРЭ, а также проверки электрических характеристик после окончания сборки.

2.5 Выбор класса точности ПП

ГОСТ 23751-86 устанавливает пять классов точности печатной

платы, каждый из которых характеризуется минимальным допустимым

значением номинальной ширины проводника (t); расстоянием между

проводниками (S); минимально допустимая ширина контактной площадки (b); отношением диаметра отверстия к толщине печатной платы (γ) в узком месте – это участок печатной платы, на котором элементы печатного проводящего рисунка и расстояние между ними могут быть выполнены только с минимально допустимыми значениями; номинальное значение диаметра наименьшего металлизированного отверстия (d); толщина печатной платы (H); предельное отклонение ширины печатного проводника, контактной площадки, концевого печатного контакта и

др. (Δt); позиционный допуск расположения печатного проводника относительно соседнего элемента проводящего рисунка (T1).

Определим основные критерии для выбора класс точности ПП:

· По конструкторской сложности ФУ имеет малую степень

насыщенности поверхности печатной платы электрорадиоэлементами при традиционной элементной базе.

· Элементная база состоит из дискретных ЭРЭ и ИМС, монтируемых навесным монтажом.

· Всего насчитывается 113 выводов ЭРЭ (включая ИМС), которые имеют штыревой тип и шаг выводов ЭРИ 2,54 мм, где за основу берётся шаг выводов ИМС.

· Имеет высокую надёжность (интенсивность отказов ЭРЭ имеет один порядок 10-6).

· Имеет низкую стоимость, так как для ПП используется материал гетинакс.

· Эксплуатируется в помещениях цехов предприятий, в условиях пыли и дыма от разогретого припоя и флюса, где рабочие места должны быть оборудованы вытяжками, а ПП ФУ покрыта специальным защитным лаком.

· Максимальный ток 0,75 А; максимальное напряжение 42 В.

· ФУ работает на частоте 50 Гц.

· В данном производстве на конкретном рабочем месте применяется оборудование для автоматизации процессов: формовки выводов ЭРЭ и лужения выводов ЭРЭ, а также проверки электрических характеристик после окончания сборки; установка ЭРЭ на плату, проверка качества сборки устройства после окончания монтажных работ и сам монтаж производится вручную.

Произведя анализ всех параметров и условий, необходимых для выбора класса точности печатной платы, для данной конструкции изделия выбираем первый класс точности. Ему соответствуют следующие параметры:

Таблица 3

Условные обозначения печатного монтажа	t, мм	S, мм	b, мм	γ=d/H	Δt, мм (без покрытия)	Δt, мм (с покрытием)	T1, мм – ОПП, ДПП, МПП (наружный слой)	T1, мм – МПП (внутренний слой)
1-й класс точности ПП	0,75	0,75	0,30	0,40	±0,15	+0,25;-0,10	0,20	0,30

2.6 Выбор метода изготовления ПП

Для изготовления печатной платы разрабатываемого устройства

выбираем химический негативный метод изготовления, так как печатная плата является односторонней, материалом для ее изготовления служит гетинакс, элементной базой являются корпусные ИМС и ЭРЭ (традиционная элементная база), конструктивная сложность малая, имеет первый класс точности, уровень модульности первый.

По области применения ПП разрабатываемое устройство относится

к классу наземной ЭА, к группе бытовой ЭА. Основными требованиями к бытовой ЭА являются: повышение технологичности конструкции с целью снижения стоимости, снижение габаритов и массы, модульный принцип конструирования, простота эксплуатации, массовый характер производства.

Из всего вышеизложенного следует, что химический негативный

метод изготовления печатной платы полностью подходит.

2.7 Материалы для изготовления печатных плат

При выборе материалов ПП необходимо разделять базовые и расходные материалы.

2.8 Выбор базовых материалов

К базовым материалам относятся:

- фольгированные и не фольгированные диэлектрики, керамические и металлические материалы, из которых изготавливают основание ПП;

- защитные полимерные лаки и защитные покровные пленки.

2.8.1 Выбор материала основания ПП

Для выбора материала основания печатной платы сравним несколько материалов:

Таблица 4

Критерии оценки	ГФ-1-35	СФ-1-35
Поверхностное сопротивление, Ом		5*1010
Удельное объемное сопротивление, Ом*м	5*107	1,4*1013
Диэлектрическая постоянная при 1 МГц	7,0	5,5
Тангенс угла диэлектрических потерь при f=1 МГц	0,07	0,035
Сопротивление изоляции, МОм
Электрическая прочность, МВ/м	15…30	15…35
Предел прочности при изгибе, Н/мм2:
в продольном направлении
Стойкость к воздействию ванны для пайки, °С/с	260/5	260/20
Водопоглощение, % мг, менее	2,9	0,3 0,4
Предел рабочих температур, °С	-60+85	-60+85
Горючесть в соответствии с UL94	-	-
Прочность сцепления фольги с диэлектриком на полоске 3 мм, Н	2,7	3,0

ГФ-1-35 – Гетинакс фольгированный с гальваностойкой фольгой.

СФ-1-35 – Стеклотекстолит фольгированный с гальваностойкой фольгой.

Для материала основания печатной платы выберем гетинакс фольгированный с гальваностойкой фольгой. Выбор мотивируется тем что, хотя стеклотекстолит по сравнению с гетинаксом имеет лучшие механические и электрические характеристики, меньшее влагопоглощение, однако ему присущ целый ряд недостатков: худшая механическая обрабатываемость, более высокая стоимость (практически в 2 раза), существенное различие ТКЛР эпоксидной смолы и стекла примерно в 20 раз, что может привести к значительным внутренним искажениям, к короблению ПП и усадки в зоне сверления отверстий. Фольгированный армированный фторопласт используется преимущественно в СВЧ диапазоне, а так как разрабатываемое устройство работает на низкой частоте, то вариант использования фторопласта отпадает.

Требования к материалу основания ПП определяются:

· Устройство эксплуатируется в помещениях цехов предприятий, в условиях пыли и дыма от разогретого припоя и флюса, где рабочие места должны быть оборудованы вытяжками.

· Максимальный ток 0,75 А; максимальное напряжение 42 В; при эксплуатации такие механические воздействия, как вибрации, удары, линейное ускорение и т.п. не ожидаются; по экономичности разрабатываемого устройства, рассчитанные показатели: экономичность пространственной компоновки схемы изделия, экономичность окончательного проектирования при переходе от схем к рабочим чертежам, экономичность конструктивного оформления изделия в целом близки к нулю. Это означает, что разрабатываемая плата стабилизации температуры жала паяльника экономична.

· Разрабатываемое устройство имеет общее число выводов ЭРЭ менее 300 штук, что соответствует малой конструктивной сложности.

· Для изготовления печатной платы разрабатываемого устройства выбран химический негативный метод изготовления.

· При сборке применяется оборудование для автоматизации процессов: формовки выводов ЭРЭ и лужения выводов ЭРЭ, а также проверки электрических характеристик после окончания сборки; установка ЭРЭ на плату, проверка качества cборки устройства после окончания монтажных работ и сам монтаж производится вручную.

Основные требования:

· Хорошие изоляционные свойства.

· Высокая механическая прочность.

· Высокая термостойкость.

· Устойчивость к агрессивным технологическим средам.

· Хорошая обрабатываемость.

· Стабильность электрических и механических параметров при климатических воздействиях.

· Низкая стоимость.

Вывод: выбранный материал ГФ-1-35 – гетинакс фольгированный с гальваностойкой фольгой удовлетворяет всем приведенным требованиям в рамках первой группы жесткости и первого класса точности.

2.8.2 Определение толщины основания ПП

Толщина ПП определяется толщиной материала основания и проводящего рисунка (без дополнительных покрытий). Ее выбирают в зависимости от конструктивных технологических особенностей и механических нагрузок: вибрации и ударов при эксплуатации и транспортировке.

Предпочтительными значениями номинальной толщины ОПП и ДПП являются 0,8; 1; 1,5; 2 мм с толщиной медной фольги 18, 35, 50, 70, 105 мкн.

Допуск на толщину ПП устанавливается согласно ГОСТ10316-78 на материалы гетинакс и стеклотекстолит фольгированные.

Определим толщину печатной платы:

где, d – номинальное значение диаметра сквозного наименьшего металлизированного отверстия, в нашем случае d=0,8 мм;

– отношение диаметра сквозного отверстия к толщине печатной платы, для первого класса точности =0,4.

2.8.3 Выбор материала защитного покрытия ПП

Для защиты поверхности печатной платы от загрязнений, особенно эксплуатационных при неблагоприятных климатических условиях и агрессивных средах применяются органические защитные покрытия лаками

УР-321, АК-546, спреем «фторел» изготовленного на основе фторопласта

Ф-32Л и др.

Общие требования к лаковым покрытиям:

- покрытие должно быть плотным однородным, без посторонних включений;

- покрытие должно обладать хорошими диэлектрическими свойствами и электрической прочностью;

- лаковые пленки должны быть влагостойкими (влагопроницаемость не более );

Второе предназначение лаковых покрытий – дополнительно удерживать элементы на печатной плате, частично загружая паяные соединения.

Для выбора защитного лака сравним некоторые из них:

Таблица 5

Свойства	Э4100 эпоксидный ТУ ЯН35-58	УР-231 эпоксидно- уретановый ВТУ ТИПИ-4366-62	СБ-1С фенолформаль-дегидный ТУ МХП 2785-54	АК-546 полиакриловый ВТУ НЧ 1933-66
Время отверждения q при T°С	8/65	9/20; 4/65	15/85; 9/100	2/65
Диапазон tраб.	-60…+150	-160…+90	-60…+150	-60…+100
при t=20°С	1016(1011)	1012(1011)	1013(1011)	1013(1012)
при f=1 МГц t=20°С	3,5	3,5	3,8	3,2
при f=1 МГц, t=20°С	0,02	0,02; 0,03	0,02 (0,03; 0,04)	0,008 (0,01; 0,13; 0,15)
Электрическая прочность f=50 МГц. Мв/м.	90 (65)		60 (40)
Характерные особенности	Тропикостоек, токсичен, двукомпонентен.	Тропикостоек, токсичен, двукомпонентен.	Тропикостоек, менее токсичен, однокомпонентен.	Тропикостоек, менее токсичен, однокомпонентен.

Сравнив несколько защитных лаков выбираем лак АК-546 так как он является наиболее подходящим для защиты печатной платы от внешних воздействий. Он технологичен, менее токсичен, имеет невысокие диэлектрические потери, удовлетворяет рабочему диапазону температур, имеет малое время нанесения покрытия и состоит из одного компонента.

2.9 Выбор расходных материалов

К расходным материалам (технологическим) относятся:

- флюсы и припои.

Выбор конкретных марок и состав припоев и флюсов осуществляется в соответствии с отраслевым стандартом ОСТ4.ГО.033200. «Припои и флюсы для пайки». Марки, состав, свойства и область применения.

2.9.1 Выбор флюса

Основные требования, предъявляемые к флюсам:

- флюс должен легко, быстро, равномерно растекаться по поверхности паяемых материалов;

- флюс должен хорошо протекать в зазоры, переходные отверстия и легко вытесняться из них расплавленным припоем;

- он должен обладать высокой термической способностью при температуре пайки, не выделять токсичных продуктов;

- флюс не должен вызывать коррекции паяемых материалов и припоев, снижать электрическое сопротивление изоляции диэлектрических промежутков, легко удаляться после пайки;

- точка плавления флюса должна быть ниже температуры полного расплавления припоя;

- флюс должен обеспечить создание защитной среды, снижение поверхностного напряжения припоя, смачивание и растекание его по поверхности;

- применение флюса должно быть экономически эффективным.

Для выбора флюса сравним несколько их марок:

Таблица 6

Марка флюса	СКФ спирто-канифольный флюс	ФКЭт	ФТС	ЛТИ-120
Составляющие флюса и их содержание, %	этиловый спирт 60, сосновая канифоль 40	Сосновая канифоль 10, этиловый спирт 90	Салициловая кислота – 4…1,5, триэтанол- амин – 1,5, этиловый спирт – 94…95	Сосновая канифоль 20…25, солянокислый диэтиламин – 3…5, триэтанолзмин – 1…2%, этиловый спирт 76…78
Температурный интервал флюсующей активности, °С	200…300	250…280	140…300	160…350
Паяемый металл или металлическое покрытие	Медь, серебро, олово, кадмий, цинк, олово-свинец, золото, олово-висмут	Медь, серебро, олово, кадмий, цинк, олово-свинец, золото, олово-висмут	Медь, олово, серебро, кадмий, цинк, олово-свинец, олово-висмут	Сталь, медь, никель и его сплавы, олово, серебро, кадмий, цинк, олово-свинец, олово-висмут
Применяемые припои	Оловянно-свинцовые, оловянно-свинцово-кадмиевые, серебряные	Оловянно-свинцовые, оловянно-свинцово-кадмиевые, серебряные	Оловянно-свинцовые, оловянно-свинцово-висмутовые	Оловянно-свинцовые, серебряные
Область применения	Применяется для пайки печатных плат и радиокомпонентов, абсолютно нейтрален, не требует промывки после пайки.	Пайка элементов радиомонтажа и печатных плат легкоплавкими припоями.	Пайка элементов радиомонтажа и печатных плат с водной отмывкой остатков после пайки.	Пайка и лужение проводников в изделиях широкого потребления, с отмывкой остатков спиртом или ацетоном.
Стоимость, руб/0,5 л

Сравнив несколько типов канифоли выбираем канифоль СКФ, так как она полностью подходит для осуществления процесса пайки в данном технологическом процессе. Она технологична, имеет оптимальный температурный интервал флюсующей активности, абсолютно нейтральна, но при необходимости удаляется спирто-бензиновой смесью, имеет низкую стоимость.

2.9.2 Выбор припоя

Для пайки электрических соединений наиболее широко используют сплавы олово-свинец с содержанием компонентов от 60-40 до 30-70%, а так же серебросодержащие, индиевые, висмутовые, кадмиево-цинковые, оловянно-серебряные.

Критерием выбора припоя является максимально допустимая температура пайки и технологические возможности предприятия, смачиваемость, прочность стоимость.

Для выбора припоя сравним несколько его марок:

Таблица 7

Марки припоя	ПОС-61	ПОСК 50-18	Сплав Розе
Состав припоя, %	Олово – 60…62 свинец - 40…38	Олово – 49…51 кадмий – 17…19 свинец - остальное	Олово – 17,5…18,5 свинец – 31,5…32,5 висмут – 49,5…50,5
Паяемый металл (ме- таллическое покрытие)	Медь, никель и их сплавы, серебро, золото, олово и его сплавы, кадмий	Медь, никель и их сплавы, серебро, золото, олово и его сплавы, кадмий	Медь, пайка металлизации по неметаллам серебром, оловом-свинцом, оловом-висмутом
Температура плавления, °С
Область применения	Ответственная электромонтажная пайка и лужение выводов ЭРЭ и ПП, микропроводов, пленочных покрытий.	Пайка и лужение печатных узлов, керамических изоляторов, конденсаторов, проводов и т.д.	Лужение элементов печатных плат. Применяется в тех случаях, когда требуется понижение температуры пайки из-за опасности перегрева деталей, а также для вторичных паек.
Стоимость, руб/100 г

Сравнив несколько типов припоя выбираем припой ПОС-61, так как она полностью подходит для осуществления процесса пайки в данном технологическом процессе. Он технологичен, имеет оптимальную температуру плавления, содержит всего два компонента, имеет низкую стоимость.

3 Расчетная часть

В расчетной части курсового проекта будет произведен конструктивный расчет элементов проводящего рисунка ПП, расчет технологичности конструкции и расчет показателей надежности модуля первого уровня.

3.1 Расчет элементов проводящего рисунка

При разработке конструкции ПП должны учитываться размеры элементов проводящего рисунка (длина, ширина, толщина проводников, размеры контактных площадок и пр.), и их взаимное расположение (например, расстояние между ними), так как они связаны с электрическими параметрами электрической принципиальной схемы (током, напряжением, частотой и др.), а также электрическими параметрами ПП. К таким параметрам относятся: сопротивление проводников, допустимая токовая нагрузка, электрическая прочность, сопротивление изоляции, электрическая емкость, помехозащищенность и др.

В курсовом проекте необходимо выполнить следующие расчеты:

· диаметра d монтажных отверстий;

· ширины t печатных проводников;

· диаметра D контактных площадок.

3.1.1 Расчет диаметра монтажных отверстий

Номинальный диаметр монтажных металлизированных и неметаллизированных отверстий устанавливают исходя из следующего соотношения:

где, - нижнее предельное отклонение диаметра отверстия, для первого класса точности, без металлизации равное ±0,10 мм;

- максимальное значение диаметра вывода ЭРИ, устанавливаемого на ПП, в данном случае =1 мм;

- разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода, устанавливаемого ЭРИ (ее выбирают в пределах 0,1…0,4 мм при ручной установке ЭРИ).

Согласно ГОСТ 10317-79 расчетное значение d следует округлить в сторону увеличения до десятых долей миллиметра и свести к предпочтительному ряду отверстий: 0,7; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5 мм.

Выводы: из произведенного расчет следует, что диаметр монтажных отверстий d =1,3 мм.

3.1.2 Расчет ширины печатных проводников

Ширина печатного проводника зависит от электрических, конструктивных и технологических требований.

Рассчитаем наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника:

где, - минимально допустимая ширина проводника, рассчитываемая в

зависимости от допустимой токовой нагрузки (, );

- нижнее предельное отклонение размеров ширины печатного

проводника по ГОСТ 23751-86 в зависимости от класса точности, в

данном случае мм.

Рассчитаем линейную допустимую ширину проводника по постоянному току цепей питания и заземления с учетом допустимой токовой нагрузки:

где, - максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках,

равный 0,75 А; определяется из анализа электрической

принципиальной схемы;

- допустимая плотность тока, выбираемая в зависимости от

метода изготовления ПП, в данном случае (химический

негативный) ; однако, допустимую токовую

нагрузку следует уменьшить на 15% для печатных проводников,

расположенных на расстоянии равном или меньшем их ширины,

следовательно, берем

h – толщина печатного проводника, равная 35 мкн = 0,035 мм.

Выводы: из произведенных расчетов следует, что наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника 0,55 мм; линейная допустимая ширина проводника по постоянному току цепей питания и заземления 0,4 мм. Иcходя из первого класса точности минимальная ширина печатного проводника будет 0,75 мм, следовательно осуществляется запас прочности.

3.1.3 Расчет диаметра контактных площадок

Все монтажные отверстия располагаются в зоне КП. Они могут иметь произвольную форму. Предпочтительной является круглая форма.

Рассчитаем наименьшее номинальное значение диаметра КП по формуле:

где, d – диаметр монтажного отверстия (мм);

b – гарантийный поясок КП устанавливается в зависимости от класса

точности ПП (мм);

hф – толщина медной фольги без покрытия (мм);

С – Суммарный коэффициент технологической погрешности (С=0,3).

Конструктивный расчет элементов проводящего рисунка ПП представляется в виде эскиза геометрии сечения ПП.

Рис.3 Эскиз ПП с элементами проводящего рисунка.

где, t1 – ширина проводника цепи питания, равная 0,75 мм;

t2 – ширина проводника цепи коммутации, равная 0,75 мм;

S – номинальное расстояние между проводниками, равное 0,75 мм;

b – гарантийный поясок, равный 0,30 мм;

D – диаметр контактной площадки, равный 2,3 мм;

hф – толщина фольги, равная 0,035 мм;

H – толщина основания ПП, равная 2 мм;

d – диаметр отверстия, равный 1,3 мм.

3.1.4 Расчет площади и выбор габаритных размеров ПП

На ранних стадиях проектирования площадь определяется по формуле:

где, - установочная площадь i-го ЭРИ;

- коэффициент зависящий от назначения и условий эксплуатации

( =1…3);

п – количество ЭРИ.

Выберем габаритные размеры печатной платы 9,5х6,5 мм, исходя из трассировки печатной платы в программе по проектированию P-CAD PCB.

3.2 Расчет технологичности модуля

Количественная оценка уровня технологичности электронных узлов проводника определяется по системе базовых показателей (ГОСТ14.201-73).

Вид изделия, объем выпуска и такт производства – главные факторы, определяющие требования к технологичности конструкции изделия.

Таблица 8

Исходные данные для электронного модуля 1-го уровня опытного образца (единичное производство)	Обозначение показателей	Значение показателей (шт)
Количество монтажных соединений, которые могут осуществляться или осуществляются механизированным или автоматизированным способом, т.е. имеются механизмы, оборудование или оснащение для выполнения монтажных соединений	НАМ
Общее количество монтажных соединений	НМ
Общее количество МС и МСБ	НМС
Общее количество ЭРЭ	НЭРЭ
Количество ЭРЭ подготовка которых к монтажу может осуществляться автоматизированным и механизированным способом	НМП. ЭРЭ
Количество операций контроля и настройки которое можно осуществить автоматизированным и механизированным способом	ННКМ
Общее количество операций контроля и настройки	НКМ
Общее количество типоразмеров ЭРЭ в изделии	НТ. ЭРЭ
Количество типоразмеров оригинальных ЭРЭ в изделии	НТ. ОР. ЭРЭ
Количество деталей, заготовки которых или сами детали получены прогрессивными способами формообразования	ДПР
Общее количество деталей (без нормализованного крепежа) в изделии	Д

Рассчитаем относительные показатели технологичности:

1) Коэффициент использования МС и МСБ

2) Коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделий

3) Коэффициент автоматизации и механизации подготовки электрорадиоэлементов к монтажу

4) автоматизации и механизации операций контроля и настройки

5) Коэффициент повторяемости ЭРЭ

6) Коэффициент применяемости ЭРЭ

7) Коэффициент прогрессивности формообразования деталей

Рассчитаем комплексный показатели технологичности:

где, базовые показатели значимости:

Уровень технологичности конструкции изделия (КУ) определяется как отношение достигнутого нами показателя технологичности (КТЕХ) к значению нормативного показателя (КН):

где, для единичного производства КН =0,4-0,7;

Диаграмма комплексного показателя технологичности для различных производств:

Выводы: по выполненным расчетам, комплексный показатель технологичности модуля К=0,4, что является достаточным для единичного производства.

3.3 Расчет надежности

Интенсивность отказов по типам элементов:

Таблица 9

Элемент	Обозначени	Количество, шт	Номинальная интенсивность отказов, 1/час
Конденсаторы: К50-35 К73-17	λR1 λR2		0,1*10-6 0,15*10-6
Микросхемы: LM2904N КР142ЕН8Б К561ТМ2	λMC1 λMC2 λMC3		0,25*10-6 0,5*10-6 1*10-6
Светодиод: L-53SRD-E	λVD1		0,5*10-6
Резисторы: MF СП3-4АМ	λR1 λR2		10*10-6 0,2*10-6
Диоды: КД212 КД522 RS202	λVD2 λVD3 λVD4		0,45*10-6 0,3*10-6 0,4*10-6
Транзисторы: КТ973А КТ3102А	λVT1 λVT2		0,2*10-6 0,18*10-6

Среднее время работы между двумя соседними отказами составляет, tP=500 часов.

1) Определим интенсивность отказов изделия:

2) Определим среднее время наработки на отказ:

3) Определим вероятность безотказной работы:

Выводы: из расчетов надежности следует, что данная конструкция модуля считается надежной, так как вероятность безотказной работы P(t)=0,9.

4 Технологический раздел

4.1 Выбор типа производства

Тип производства определяет характер технологического процесса, его построение и структуру.

В соответствии с ГОСТ 3.1121-74 одной из основных характеристик, определяющих выбор типа производства, является коэффициент закрепления операций:

где, О – общее число различных операций, выполняемых на участке (цехе);

СР – число рабочих мест, на которых выполняются эти операции.

Технологический процесс сборки состоит из следующих операций:

1) Входной контроль;

2) Слесарно-сборочная: формовка выводов ЭРЭ;

3) Монтажная: лужение и промывка ЭРЭ и ИМС;

4) Монтажная: проверка платы на паяемость;

5) Слесарно-сборочная: установка ЭРЭ и ИМС на плату;

6) Монтажная: пайка ЭРЭ, ИМС и обрезание выводов в размер;

7) Промывка модулей оборудования;

8) Контрольная: контроль монтажных соединений и проверка номиналов (визуально);

9) Контрольная: диагностический контроль;

10) Лакирование модулей, предохранить изоляционной лентой площадки 1-8;

11) Сушка модулей;

12) Выходной контроль.

Выводы: годовой выпуск продукции составляет 100 штук в год, что соответствует единичному производству.

4.2 Составление маршрутного ТП сборки

Технологическая схема сборки первого уровня определяет последовательность установки деталей и сборочных единиц на базовую деталь ПП.

Определим среднее штучное время на операцию:

где, ТВ – такт выпуска, через который периодически производится выпуск

изделий:

где, ФД – действительный годовой фонд времени в часах, одного рабочего

дня, односменной работы составляет 2070 часов;
N – годовой объем выпуска электронного узла составляет 100шт/год.

Расчетное значение Тшт.ср. обеспечивается дифференциацией или концентрацией операций подбора оборудования определенной производительности.

Таблица 10. Маршрутная карта технологического процесса сборки и монтажа

№ п/п	Наименование операций	Оборудование, оснастки	Разряд рабочего	ТП.З. (мин)	ТШТ (мин)
	Входной контроль.	Монтажный стол, увеличительное стекло СТ-200-10, антистатические перчатки ГОСТ 1108-74.		0,025	0,253
	Слесарно-сборочная: формовка выводов ЭРЭ.	Монтажный стол, пинцет ТУ 45-11-85, штамп цеха, антистатические перчатки ГОСТ 1108-74.		0,017	0,172
	Монтажная: лужение и промывка выводов ЭРЭ.	Монтажный стол, лудильная ванна СТ-51А, пинцет ТУ 45-11-85, спирто-бензиновая смесь, припой ПОС-61 ГОСТ 21931-76, флюс ФСК, марля, антистатические перчатки ГОСТ 1108-74.		0,017	2,172
	Монтажная: проверка платы на паяемость.	Монтажный стол, паяльник ЭПСН, флюс ФСК, припой, антистатические перчатки ГОСТ 1108-74.		0,025	0,253
	Слесарно-сборочная: установка ЭРЭ на плату.	Монтажный стол, пинцет, плоскогубцы монтажные ГОСТ 7236-93, антистатические перчатки ГОСТ 1108-74.		0,017	0,172
	Монтажная: пайка ЭРЭ (одна пайка) и обрезание выводов в размер.	Монтажный стол, паяльник ЭПСН, флюс ФСК, припой ПОС-61 ГОСТ 21931-76, пинцет ТУ 45-11-85, кусачки монтажные ГОСТ 28037-89, антистатические перчатки ГОСТ 1108-74.		0,017	0,172
	Промывка модулей оборудования.	Монтажный стол, пинцет ТУ 45-11-85, кисточка ГОСТ 10597-87, марля, спирто-бензиновая смесь, антистатические перчатки ГОСТ 1108-74.		0,033	0,334
	Контрольная: контроль монтажных соединений (визуально).	Монтажный стол, увеличительное стекло СТ-200-10, антистатический браслет.		0,013	0,131
	Контрольная: диагностический контроль.	Монтажный стол с измерительно-регулиро-вочной аппаратурой, антистатические перчатки ГОСТ 1108-74.		0,042	0,425
	Лакирование модулей; предохранить изоляционной лентой площадки с 1 по 8.	Стол для лакировки с вытяжным шкафом ТРН-715, лак АК-546 ТУ2316-156-050-11907-98, пульверизатор SATA minijet 3 HVLP.		0,025	0,253
	Сушка модулей.	Сушильная камера SNOL 67/350 (2 часа при 65°С)		0,020	0,202
	Выходной контроль.	Монтажный стол, увеличительное стекло СТ-200-10, антистатические перчатки ГОСТ 1108-74.		0,015	0,152

Рассчитаем Тшт. и Тп.з. для каждой операции:

1) Входной контроль

где, То.п. – норма оперативного времени операции в минутах;

К1 – коэффициент, учитывающий время на организационно-

техническое обслуживание рабочего места, отдыха и т.п., К1=1,15;

К2 - коэффициент, учитывающий конструкторскую сложность ПП, К2=1.

2) Слесарно-сборочная: формовка выводов ЭРЭ

3) Монтажная: лужение и промывка выводов ЭРЭ и ИМС

4) Монтажная: проверка платы на паяемость

5) Слесарно-сборочная: установка ЭРЭ и ИМС на плату

6) Монтажная: пайка ЭРЭ, ИМС (одна пайка) и обрезание выводов в размер

7) Промывка модулей оборудования

8) Контрольная: контроль монтажных соединений

9) Контрольная: диагностический контроль

10) Лакирование модулей, предохранить изоляционной лентой площадки 1-8

11) Сушка модулей

12) Выходной контроль

4.3 Разработка технологических операций сборочных работ

Технологический процесс сборки состоит из следующих операций:

1) Входной контроль. Осуществляется проверка соответствия качества ПП, наличие трещин, плохой протравки, сколов, повреждения печатных проводников и т.п. Контроль проводится визуально, на монтажном столе с увеличительным стеклом с подсветкой СТ-200-10, и в антистатических перчатках ГОСТ 1108-74. Платы приносят в технологической таре, затем контролер проводит контроль и отдает тару на следующую операцию.

2) Слесарно-сборочная: формовка выводов ЭРЭ. Осуществляется формовка и обрезка выводов электрорадиоэлементов в соответствии их установки в отверстия на ПП. Данная операция проводится на монтажном столе с помощью штампа цеха, в антистатических перчатках ГОСТ 1108-74.

ЭРЭ приносят в технологической таре. После проведения данной операции слесарь-механик передает тару на следующую операцию.

3) Монтажная: лужение и промывка выводов ЭРЭ. Операция проводится на рабочем столе с помощью лудильной ванны СТ-51А, пинцета монтажного СТ-02 ТУ 45-11-85, спирто-бензиновой смесь, припой ПОС-61

ГОСТ 21931-76, канифоль ФСК, марля, в антистатических перчатках ГОСТ 1108-74. ЭРЭ приносят в технологической таре. По сле проведения данной операции монтажник передает тару на следующую операцию.

4) Монтажная: проверка платы на паяемость. Операция осуществляется на монтажном столе с помощью паяльника ЭПСН, флюса СКФ, припоя ПОС-61 ГОСТ 21931-76, в антистатических перчатках ГОСТ 1108-74. Платы приносят в технологической таре, затем монтажник проводит контроль и отдает тару на следующую операцию.

5) Слесарно-сборочная: установка ЭРЭ на плату. Операция о

Дата добавления: 2015-10-29