CC BY
133
УДК 621.396
ПРИМЕНЕНИЕ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ ПО МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ
С.Ю. Белецкая, П.В. Иевлев, А.В. Турецкий
В статье рассмотрен способ комплексного анализа механических характеристик печатных плат в составе радиоэлектронных модулей, который учитывает механическую прочность проводников и переходных отверстий с применением экспертной системы. Предельные значения выдерживаемых вибраций, ударов и статических нагрузок получаются на основе испытаний печатных плат с различным количеством слоев
Ключевые слова: тестирование, надежность, печатная плата, электронные средства, экспертная система
При разработке различной аппаратуры для сокращения сроков и уменьшения стоимости проектирования все чаще применяются автоматизированные системы принятия решений или экспертные системы (ЭС) [1]. Экспертные системы вбирают в себя знания ведущих специалистов в области проектирования и позволяют менее квалифицированным инженерам в режиме консультации выбрать необходимый путь проектирования. Конечно, ЭС полностью не могут заменить реального специалиста-эксперта, так как человек обладает способностью генерировать новые знания и решать нестандартные новые задачи. Однако при решении большого количества типовых задач рядовыми инженерами она дает существенный выигрыш по времени, так как специалистов экспертов часто на предприятии мало, и они не могут охватить все проекты. Для проектирования электронных средств с учетом механических воздействий при выборе путей технических решений необходимо применение ЭС.
Одним из основных несущих конструкций модулей радиоэлектронного средства является печатная плата, обеспечивающая механическое и электрическое соединение электронных компонентов. В современных устройствах платы, как правило, многослойные. Многослойная печатная плата представляет собой довольно сложную конструкцию, состоящую из большого числа отдельных элементов, соединенных между собой, содержащие также встроенные резисторы и конденсаторы [2]. Часто это высокотехнологичное изделие, позволяющее обеспечить высокую плотность упаковки компонентов. В связи с постоянной тенденцией к
Белецкая Светлана Юрьевна - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 243-77-04, e-mail: [email protected] Иевлев Павел Валерьевич - ВГТУ, студент, тел. (473) 24377-06, e-mail: [email protected]
Турецкий Андрей Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 243-77-06, e-mail: [email protected]
уменьшению габаритов уменьшается также ширина проводников и диаметры переходных отверстий. Меньше также толщина фольги, по сравнению с традиционными односторонними и двухсторонними платами. Все это позволяет значительно сократить размеры печатного узла. Однако такие платы также обладают и недостатками, одними из которых являются низкая ремонтопригодность и большая подверженность механическим нагрузкам. Так как внутри платы существует множество металлизированных отверстий, соединенных между собой, то при механических деформациях или температурных воздействиях выход какого либо из них из строя (потеря контакта) приводит к потере работоспособности всей платы а, следовательно, и устройства.
При создании радиоэлектронного устройства опытный образец на конечных этапах проектирования обязательно подвергают широкомасштабным испытаниям на климатические и механические воздействия. Выявленные недостатки устраняют, что требует иногда серьезной переработки конструкции. Целесообразнее заранее, на этапе проектирования методами компьютерного моделирования осуществлять анализ печатных плат на механические воздействия. Тогда количество доработок можно существенно уменьшить.
Одной из наиболее распространенных САПР высокого уровня, используемых в радиоэлектронной промышленности является Сгео Parametric (ранее Pro/Engineer).
К сожалению, система Сгео Parametric не позволяет моделировать механические характеристики таких сложных узлов как многослойные печатные платы, в то время как говорилось ранее они определяют во многом надежность всего устройства.
В данной работе предлагается алгоритм комплексного анализа механических характеристик печатных плат в составе радиоэлектронных модулей (рисунок), учитывающей
предельные значения вибраций, ударов, статических нагрузок печатных плат с различными количествами слоев. Подобный подход применялся в [3-6], однако применительно к радиоэлектронным модулям. В данном алгоритме предполагается использовать лабораторное тестирование образцов печатных плат с различным количеством слоев по методике 1РС-ТМ-650 [7], предусматривающей контроль размеров, а также комплекс из механических, электрических испытаний. Кроме того, для ускорения испытаний может применяться термоцик-лирование по методике, представленной в [8].
Алгоритм комплексного анализа механических характеристик печатных плат в составе радиоэлектронных модулей
Первый блок представляет собой постановку задачи, в которую входит выбор комплекса механических воздействий и их параметров, которые будут присутствовать в определенных режимах эксплуатации изделия. Эти данные должны быть известны еще до начала конструирования, в соответствии с техническим заданием.
Сбор необходимой информации (блок №3) включает в себя данные о самом радиоэлектронном модуле, его размеры, элементная база, материалы и их характеристики, а так же определение наиболее уязвимых мест с точки зре-
ния конструкции. Необходимо иметь данные о вибрационных и ударных характеристиках радиокомпонентов и других приборов. При этом формируется и постоянно обновляется база данных (блок №2), включающая в себя механические и тепловые свойства материалов конструкций радиоэлектронных модулей (РМ) и печатных плат (ПП), физико-химические свойства материалов, участвующих в производственно-технологическом процессе, графическое представление, связывающее количество циклов нагрузки до разрушения с приложенным напряжением пластической деформации, как при пластическом, так и при упругом поведении материала.
Блок № 4 представляет собой выбор предварительного анализа характеристик РМ, аналитический или предварительный анализ инструментами метода конечных элементов (МКЭ). Выбор сводится к возможности применить математические модели, описывающие типовые способы крепления типа жесткого защемления, свободного опирания или незакрепленного края пластины или конца балки. В случае невозможности применения таких моделей предварительный анализ, как и подробный, сводится к использованию программных инструментов, основанных на методах конечных элементов.
Аналитическое решение (блок № 5) поставленной задачи сводится к определению собственных частот колебаний (СЧК) радиоэлектронного модуля, максимальные отклонения от положения равновесия, влияние удара.
После проведения аналитического расчета механических характеристик конструктор должен решить достаточно ли полученных данных для последующих действий.
В случае, когда данных недостаточно или когда особенности конструкции изделия не позволяют применить аналитические методы анализа, применяются современные инструменты инженерного анализа на основе МКЭ (блок № 11). Для примера применена система Creo Parametric, позволяющая проводить практически все типы моделирования механических нагрузок (вибрационный, статический, ударный и пр.). Типы проводимого моделирования формируются на основании блока № 28. Полученные результаты представляются в виде диаграмм и графиков и подлежат анализу в блоке № 12.
По методике, регламентируемой стандартом IPC-TM-650 [4] предполагается проводить автоматизированный анализ прочности печатных плат (блок № 9). Результаты, полученные
при испытаниях, статистически обрабатываются (блок № 10) и поступают в соответствующую базу данных (блок № 13). При этом на предприятии будет существовать и регулярно пополняться база данных, содержащая предельные значения вибраций, ударов и статических напряжений печатных плат с разным количеством слоев, разного класса точности и технологии изготовления.
Эти данные поступают в блок № 14 и на основании их анализируются результаты моделирования с применением метода конечных элементов.
После моделирования возможно применение экспертной системы для анализа результатов (блок №16), при этом используется база знаний 17, которая может непрерывно пополняться, давая более приемлемые способы решения задачи.
Если в нагруженной зоне полученные значения напряжений, перемещений и пр. лежат за пределами прочности компонентов, то принимается решение об оптимизации ПП (цикл блоков №26). В ходе оптимизации может быть принято решение об изменении конструкции (блок № 27), применению других материалов (блок № 28), изменению топологии (блок № 29) или применению иной технологии при производстве радиоэлектронного модуля (блок № 30). Затем следует тот же цикл моделирования методами МКЭ с проверкой результатов.
Если же на этапе проверки соответствия результатов моделирования требуемым значениям (блок № 18) не выявляется критических отклонений, дается допуск на получение опытного образца изделия (блок № 19) с обязательными испытаниями на лабораторных установках (блок № 21) с утвержденными программами испытаний в соответствии условиями эксплуатации модуля (блок № 20).
Если на этапе проверки прохождения лабораторных испытаний в конструкции обнаружатся несоответствия характеристик требова-
ниям заказчика, принимается решение об оптимизации печатной платы (повторяется цикл блоков 27-30) с созданием модернизированного опытного образца.
В случае положительного решения о результатах лабораторных испытаний проводится цикл испытаний в условиях эксплуатации (блок № 23) и сдача изделия (блок № 25).
Предложенная методика может значительно ускорить процесс доработки разрабатываемых изделий. Так во первых, благодаря системному применению САПР, использующих МКЭ для моделирования механических воздействий, а во вторых, наличию постоянно пополняемой базы данных по механическим характеристикам различных конструкций печатных плат.
Литература
1. Уотерман Д. Построение экспертных систем под ред. Ф. Хейес-Рот; Д. Уотерман, Д. Ленат; М.: Мир, 1987. -441 с.
2. Муратов А.В., Донец С.А., Жукова Н.Ю. Проектирование и технология многослойных печатных плат со встроенными конденсаторами // Проектирование и технология электронных средств 2006. Т. 4. С. 20-25.
3. И.А. Лозовой, А.В. Турецкий Методика анализа радиоэлектронных модулей на механическую прочность. // Радиотехника 2013 №3, С. 85-88.
4. И. А. Лозовой, А. В. Турецкий Подсистема испытания паяных соединений электронных компонентов на механические воздействия // Радиотехника 2012. №8 С. 80-84.
5. И.А. Лозовой, А.В. Турецкий, В.А. Шуваев Методы испытания паяных соединений поверхностно монтируемых компонентов на механические воздействия // Радиотехника 2012. № 8 С. 76-80.
6. Процедуры инженерного анализа механических воздействий на РЭС в системе PRO/ENGINEER [Текст] / И. А. Лозовой, С. Ю. Сизов, А. В. Турецкий, В. А. Шуваев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - № 5. - С. 26-27.
7. IPC-TM-650 Test Methods Manual.
8. Князев А., Борисенков С. Испытания надежности печатных плат при помощи термоциклирова-ния и термоудара. Технологии в электронной промышленности, № 1, 2008 С. 21-24.
Воронежский государственный технический университет
USE OF EXPERT SYSTEMS AT DESIGN OF PCB TAKING INTO ACCOUNT REQUIREMENTS
FOR MECHANICAL DURABILITY
S.Ju. Beletskaja, P.V. Ievlev, A.V. Turetsky
In article the way of the complex analysis of mechanical characteristics of PCB as a part of radio-electronic modules which considers the mechanical durability of conductors and transitional openings with use of expert system is considered. Limit values of maintained vibrations, blows and static loadings turn out on the basis of tests of PCB with various quantity of layers
Key words: testing, reliability, printed-circuit board, electronic means, expert system
