Проектирование и производство печатных плат — проблемы и решения

Аркадий Бурмакин, Геннадий Мылов, Сергей Кузнецов

План реконструкции

    Модернизация проектных работ

    Совершенствование контроля изготовления

Внедрение плана реконструкции

Перспективы

Сегодня Государственный Рязанский приборный завод является дочерним предприятием Государственного унитарного предприятия МАПО «МИГ». Около сорока лет наше предприятие серийно производит высокоинтеллектуальную бортовую радиотехническую аппаратуру для самолетов ВВС: бортовые радиолокационные системы (БРЛС) и системы управления вооружением (СУВ). За эти годы завод осуществлял поставки, проводил техническое обслуживание и все виды испытаний БРЛС для истребителей ЯК-28, СУ-15, МИГ-23, МИГ-29, СУ-29 и их модификаций. В последние годы предприятие, применяя прогрессивное оборудование и осваивая новые технологические процессы, производит опытные образцы БРЛС для модернизированных самолетов МИГ-29М, СУ-30МКИ, МИГ-СМТ и т.д.

Адаптация такого крупного государственного предприятия, как ГРПЗ, ориентированного на оборонную промышленность, к новым экономическим условиям, оказалась сложным и болезненным процессом. До недавнего времени основная часть выпускаемых изделий базировалась на печатных платах 2-3-го класса (в основном двухсторонних). При этом объем производства многослойных (4-6 слоев) печатных плат для собственных нужд предприятия не превышал 80-90 квадратных метров в год. Тем не менее до 1995 года производственные мощности цеха печатных плат не только полностью удовлетворяли собственные потребности завода, но и позволяли обеспечивать печатными платами сторонние предприятия. Когда перед ГРПЗ встала задача освоения модернизированной спецтехники (включая бортовые вычислительные комплексы), оказалось, что характеристики требуемых многослойных печатных плат превышают наши технологические возможности. Более строгими стали требования по степени интеграции и уменьшению размеров печатных плат, существенно возросли требования к точности их разработки и изготовления. Во-первых, число элементов на плате увеличилось настолько, что развести на двух слоях имеющееся число контактов просто невозможно. Во-вторых, даже двухслойные печатные платы, изготавливавшиеся нами в соответствии с отраслевой документацией, перестали удовлетворять требованиям нового цифрового телекоммуникационного оборудования.

План реконструкции

Технический совет ГРПЗ, возглавляемый техническим директором Ю.И.Зеленюком, поставил задачу по разработке плана реконструкции производства печатных плат с выходом на следующие годовые объемы производства: по платам 4-5-го класса — 500 кв. м, а в целом — 32 тыс. кв. м. Главные идеи плана реконструкции:

• обеспечить на всех операциях технологического процесса высокую точность элементов печатного рисунка, заложенную при проектировании печатной платы и изготовлении фотошаблона;
• создать условия для автоматизации сборочных работ с применением установок пайки волной припоя;
• внедрить обязательный жесткий тест-контроль электрических параметров плат с целью обеспечения производства только качественными печатными платами.

Требуемый цикл изготовления многослойных плат составляет порядка трех недель. Поэтому время, затраченное на проектирование и подготовку производства, является критически важной характеристикой. Так встал вопрос о перевооружении Научно-технического центра (НТЦ) и конструкторских отделов завода.

Модернизация проектных работ

На первом этапе реконструкции была разработана и внедрена новая технологическая схема проектирования печатных плат и изготовления фотошаблонов, все рабочие участки которой объединены локальной вычислительной сетью. Эта схема базируется на применении САПР CADdy EDS фирмы ZIEGLER-Informatics GmbH и обеспечивает разработку принципиальной электрической схемы, трассировку платы, получение данных для изготовления фотошаблонов, данных для сверлильных автоматов и контроля готовой продукции (рис. 1).

Выбор Технического совета завода пал на систему CADdy EDS потому, что из имеющихся на российском рынке САПР (от P-CAD 4.5, являющегося своеобразным стандартом, а также последующих версий P-CAD и Accel EDA до существенно более дорогих и сложных САПР на рабочих станциях) система CADdy EDS характеризовалась оптимальным соотношением «цена/производительность». Кроме того, CADdy была полностью русифицирована, что облегчало обучение работе на ней.

Среди основных характеристик CADdy EDS, наличие которых способствовало ее выбору и последующему успешному внедрению на предприятии, необходимо упомянуть следующие:

• поддержку системой сквозного проектирования от создания принципиальной схемы (рис. 2) до технологической подготовки производства в реальном времени и в рамках единого проекта;
• наличие в системе баз данных импортных и отечественных элементов;
• «дружественный» интерфейс и хорошо продуманный набор функциональных возможностей, включая наличие функций автоматизированного размещения элементов и автоматической трассировки печатной платы (рис. 3);
• автоматизированный выпуск в полном соответствии с ЕСКД комплекта конструкторской документации, включая многолистовую принципиальную схему, чертежи платы, перечень элементов, таблицу цепей и спецификацию;
• мировую известность торговой марки CADdy;
• большой опыт компании ПОИНТ, которая в качестве генерального дистрибьютора осуществляет локализацию и адаптацию всех версий системы CADdy в России (начиная с 1989 года) по сервисной поддержке пользователей, включая обучение и переподготовку, «горячую линию» и многое другое.

При работе с системой управления базой данных CADdy EDS удобно, что элемент, хранящийся в базе, включает в себя символ (или несколько символов с одной или разными функциями) логического элемента, предназначенный для размещения на принципиальной схеме, и символ корпуса, предназначенный для одновременного размещения на монтажной схеме (плате). Для каждого вывода логического элемента установлено его соответствие контактной площадке (выводу) корпуса. При записи элемента в базу данных дополнительно назначаются возможные замены для его составляющих (логического элемента и корпуса), что позволяет выбрать оптимальный вариант установки элемента на плате.

Размещенным на плате элементам позиционное обозначение назначается автоматически или интерактивным вводом в соответствующее поле маски. Кроме того, имеется возможность ввода значений емкости и рабочего напряжения для электролитических конденсаторов, а также номинала резисторов и рассеиваемой мощности. Если учесть, что наименование технических условий вносится в базу данных вместе с элементом, то вся необходимая информация для автоматического формирования перечня элементов уже имеется на этапе создания принципиальной схемы.

Важное преимущество CADdy EDS — возможность быстрого сквозного внесения изменений на любом этапе проектирования и производства печатной платы. Изменения, внесенные в принципиальную схему, автоматически отражаются на печатной плате, и наоборот. Они, соответственно, учитываются во всех выходных данных, в том числе фотошаблонах, перечне элементов, таблице цепей и т.д.

Если имеется перечень элементов и список цепей (например, по результатам моделирования схемы с помощью специализированного программного обеспечения), то по этим данным CADdy EDS автоматически размещает элементы, входящие в перечень, и создает связи между их выводами. В результате имеются все данные для оформления принципиальной схемы и конструирования платы.

При построении принципиальной схемы в CADdy EDS пользователь имеет возможность создавать соединения между элементами в двух режимах: вводить только логические связи в виде «резиновых нитей» или создавать электрические цепи по всем правилам ЕСКД, в том числе с помощью шин. Существует возможность контролировать назначенный разработчиком порядок подключения выводов элементов в цепь (в параметрах цепей установлен атрибут «по точкам»), либо система автоматически оптимизирует длину цепей. Для многолистовой схемы связь между отдельными цепями и шинами, размещенными на разных листах, выполняется с помощью перекрестных ссылок. Отдельные элементы или части схемы могут быть перенесены с одного листа схемы на другой. Вся информация учитывается в проекте и может быть выведена в виде таблицы цепей произвольного формата.

По любому объекту проекта можно получить полную информацию, в том числе о корпусе, о логических элементах, входящих в тот или иной корпус, о цепи (ширина проводника, тип провода, листы схемы, на которых размещена цепь, выводы элементов, к которым она подключена), о составе шины и т.д.

Практика показала, что система CADdy EDS обладает удобным интерфейсом для назначения стратегии автотрассировки, а также возможностью назначения нескольких сеток (шагов растра) для прокладки проводников и переходных отверстий. Для ручной разводки имеются удобные функции построения проводников в виде отрезков, ортогональных ломаных, окружностей и дуг, автоматического создания фасок и скруглений проводников, а также автоматической коррекции «своей» (подрезка проводника) или «чужой» (подрезка контактной площадки) металлизации.

В отличие от других систем для проектирования печатных плат система CADdy EDS не ограничивается функциями для создания элементов печатного рисунка, которые контролируются параметрами проекта (рис. 4). В пакет интегрированы широкие возможности для создания элементов конструкции, то есть имеются все необходимые функции систем класса CAD. В их числе: ввод и редактирование геометрических элементов, автоматическое создание фасок и скруглений при построении ломаных и контуров, штриховка областей, простановка размеров, вспомогательные построения и многое другое. Благодаря этому мы имеем дополнительные возможности проектировать с помощью CADdy EDS не только печатные платы, а также создавать чертежи панелей и других входящих в изделие деталей и узлов.

CADdy EDS предусматривает выполнение целого ряда дополнительных функций, удобных в работе над проектом. В их числе:

• возможность выбора разных единиц измерения (миллиметры, дюймы, милы и др.) при конструировании платы;
• возможность задать необходимые параметры печатных проводников на этапе создания принципиальной схемы самим разработчиком; например, для разных типов цепей установить разную ширину проводника, тип переходного отверстия, зазор до соседних элементов печатного рисунка и т.д. (рис. 5);
• широкий диапазон функций построения печатных проводников с использованием абсолютных и относительных координат и привязок (конец или середина отрезка, точка пересечения, центр окружности, точка объекта) к элементам чертежа платы;
• возможность прокладки проводников под произвольным углом с высокой степенью точности (рис. 6);
• создание параллельных проводников и контуров сложной формы (в том числе контура платы) с использованием вспомогательных построений;
• простые в использовании функции для работы с замкнутыми проводниками и областями металлизации, в том числе — заливка и штриховка с различными параметрами, а также расчет площади металлизации для выбранных объектов (рис. 7);
• для удобства пайки имеется возможность замены контактных площадок, расположенных внутри области металлизации, на символ «теплоотвода»;
• возможность создания различных областей, в том числе общих запретных зон, запретных зон для пайки или для переходных отверстий, зон пайки (позитив/негатив), запретных зон для лака (позитив/негатив) как при создании монтажной схемы, так и непосредственно при создании корпуса элемента;
• оперативное получение выходных файлов фотошаблонов в формате Glaser и Gerber, координат отверстий в формате Excellon и Sieb&Meyer, а также возможность их просмотра перед выводом на соответствующие устройства;
• автоматическая мультипликация слоев печатной платы для оптимального размещения на фотопленке заданного формата (рис. 8);
• поддержка широкого спектра плоттеров и лазерных принтеров, а также оборудования для технологической подготовки производства печатных плат, в том числе фотоплоттеров, фотонаборных автоматов, сверлильных станков, сборочных автоматов (рис. 9);
• дополнительные возможности для создания чертежей панелей и других входящих в изделие деталей, а также получение выходных файлов для современного оборудования с числовым программным управлением;
• проект, выполненный в системе CADdy EDS, включает в себя не только данные принципиальной схемы, рисунок печатной платы, но и всю необходимую информацию для технологической подготовки производства, в том числе несколько вариантов изготовления печатных плат (с помощью фотошаблонов, на фрезерно-гравировальном станке и т.д.).

Совершенствование контроля изготовления

ГОСТ регламентирует обязательность электрического контроля для многослойных плат. Система CADdy EDS, как и другие современные САПР, включает такие функции контроля на возникновение коротких замыканий, нарушение зазоров и т.д. Однако значительная часть изготавливаемых нами печатных плат спроектирована сторонними разработчиками с помощью программного обеспечения, не обеспечивающего подобного контроля. Для подобных случаев мы ввели в технологический процесс процедуру проверки и контроля изготовления печатных плат с помощью системы GC-CAM (США), внедренной на заводе в декабре 1997 года (см. рис. 1). Используя Gerber-интерпретатор, указанная система позволяет сформировать данные для «прозвонки» печатных плат на тестовом оборудовании фирмы ATG (Германия). Кроме того, являясь полноценной CAM-системой, она выдает управляющие файлы для лазерного фотоплоттера и сверлильных станков, обеспечивает проведение технологического контроля параметров печатной платы.

Система GC-CAM достаточно сложна, но результаты ее внедрения очень обнадеживающие, поскольку практически все имеющиеся в России САПР нормально взаимодействуют с GC-CAM. Это позволяет заводу сотрудничать с любыми разработчиками печатных плат, получая файлы их проектов (в том числе по электронной почте), за один-два дня выполняя подготовку производства и в течение 2-3 недель выдавая заказчикам готовые изделия.

Для внедрения электрического контроля мы остановились на безадаптерной двухсторонней и 8-пальчиковой системе ATG-A2/8. Она позволяет проводить электрический контроль без специальных адаптеров и контактного игольчатого поля, изготовление которых является дорогим и трудоемким процессом. Поскольку номенклатура плат, которые мы изготавливаем, достаточно широка, а их серийность невелика, изготовление адаптеров для каждого типа платы было бы нам экономически невыгодно. Для подготовки тестовых заданий в составе оборудования фирмы ATG используется программный комплекс DPS. Для анализа результатов контроля и локализации выявленных дефектов мы применяем ремонтную станцию REP-1000.

Хотя установка ATG была включена в технологический цикл еще в конце 1997 года, недавно представители фирмы установили новую версию программного обеспечения для нее и провели регламентные работы. Особо подчеркнем, что применяемая технология тестирования печатной платы на наличие коротких замыканий — это не просто обычная «прозвонка» типа «каждый с каждым». Например, выявление точек вероятного короткого замыкания заключается в «закачке» в плату электрического поля частоты 2 кГц с регистрацией карты напряженности поля и последующим сравнением этой карты с топологией платы. Соответственно имеющееся программное обеспечение немедленно позволяет выявить места, где согласно топологии платы не должно быть связи, а напряженность поля, тем не менее, слишком велика. Поэтому процесс тестирования состоит из меньшего числа итераций, что резко сокращает общее время «прозвонки» многослойной печатной платы: с 4 часов, которые требовались раньше, до 15 минут в настоящее время. Результаты контроля выдаются на экран и на печать (координаты ошибок и пр.), а оператор ремонтной станции решает, можно ли плату отремонтировать.

С целью дальнейшего совершенствования проверки качества металлизации отверстий мы недавно заключили договор с разработчиком на создание универсального контактного устройства, где, кроме постоянной части, будут использоваться сменные адаптеры для разных плат, причем адаптер проектируется одновременно со «своей» печатной платой. Это исключит длительную переналадку установки с одной платы на другую, которая сейчас занимает несколько дней (что приемлемо только в случае изготовления больших серий), и тем самым позволит оперативно переключаться на новое изделие.

Внедрение плана реконструкции

Одним из результатов внедрения плана реконструкции на ГРПЗ стало формирование иных отношений между подразделениями предприятия. Это привело к созданию нового цеха 128 — производственно-технического комплекса печатных плат (ПТК ПП 128) и нашло отражение в разработанной нормативной документации, регламентирующей новый порядок проектирования и производства. В состав ПТК 128 вошли подразделения, реализующие полный технологический цикл: проектирование, подготовка к производству, изготовление и контроль качества печатных плат. В результате исчезли промежуточные «бумажные» документы, а вместо них реализован обмен файлами по сети.

Так, данные слоев печатной платы записываются на сервер. Далее их просматривают на технологической рабочей станции, где осуществляется оптимальная компоновка на листах фотопленки фирмы Kodak размером до 960 мм. После этого данные выводятся по локальной сети на лазерный растровый фотоплоттер RP 304-NT швейцарской фирмы EIE. Затем пленка передается по фильм-конвейеру в фотопроявочный автомат датской фирмы Glunz & Jensen. Если шаблон случайно окажется испорченным, то с сервера загружается нужный файл, просматривается и выводится на пленку. Сейчас для печатных плат любой сложности требуется 15 минут на прорисовку и 15 минут на проявку.

Данные для сверлильного автомата передаются по локальной вычислительной сети в цех сверловки на станки с ЧПУ германской фирмы Schmoll. Здесь мы используем оборудование Compact-23, Compact-25, а также станки последнего поколения System-2, позволяющие сверлить отверстия диаметром до 0,1 мм на заданную глубину (в том числе «глухие» отверстия). После сверловки производится механическая подготовка поверхности печатной платы с промывкой отверстий (под давлением 15 бар на установке фирмы WeserO) для обеспечения качественной их металлизации.

В целом необходимо подчеркнуть, что высокое качество работ на каждом этапе технологического цикла обеспечивается самым современным оборудованием ведущих фирм. Главной целью подбора оборудования для отдельных технологических операций было сохранение высокой точности фотошаблона. Приведем некоторые примеры внедренного в ПТК ПП оборудования.

Например, установка для оптического контроля внутренних слоев многослойной печатной платы фирмы Arbatech состоит из двух частей. На сегодняшний день в первой части установки (PC-1411S) осуществляется сканирование печатной платы, принятой в качестве эталонной. Вторая часть установки (VRS 4 Li) производит сравнение каждой новой изготовленной платы с полученным эталоном. В ближайшее время (после подсоединения к CAM-станции) на установку Arbatech будет непосредственно передаваться файл эталона. Соответственно отпадет необходимость в сканировании некоторой реальной платы, которую можно считать эталонной, разумеется, только с некоторым допущением.

Спекание собранных в пакет слоев печатной платы обеспечивает программно-управляемый пресс фирмы Lauffer. Интересно, что «закачивать» в него программы можно не только по локальной сети, как это происходит на нашем предприятии, но и непосредственно из Internet.

Нанесение защитной маски после прессования выполняется методом сеткографии на установке итальянской фирмы Argon. Цех по изготовлению слоев многослойной печатной платы оборудован фирмой Lantronic Circuit Technics.

Экспонирование печатной платы ультрафиолетом осуществляется на установке фирмы Morton, где для нанесения рисунка используется СПФ — сухой пленочный фоторезист. После этого происходит проявление в содовом растворе. Отметим, что вода, используемая при травлении и проявке — предварительно стерилизованная, а также деионизованная с помощью процесса обратного осмоса.

Подчеркнем, что электрический тест-контроль на нашем предприятии производится дважды. Во-первых, контроль на целостность электрических цепей и отсутствие коротких замыканий каждая многослойная печатная плата проходит до нанесения маски и оплавления контактных площадок и отверстий на установке HAL. Во-вторых, контроль осуществляется на приемо-сдаточных испытаниях после завершения всех технологических операций.

ПТК печатных плат получил разрешение на изготовление многослойных печатных плат после обеспечения следующих электрических параметров:

• электрическое сопротивление металлизированных отверстий не более 30-40 мкОм;
• отклонение омического сопротивления электрических цепей от эталонного не более +10%.

Результаты технологической модернизации обеспечили практически стопроцентный выход годных многослойных печатных плат и последующую безотказную работу узлов на приемо-сдаточных и квалификационных испытаниях соответственно.

После завершения первых этапов реконструкции Технический совет ГРПЗ пересмотрел бюджет предприятия и поставил задачу расширения объемов производства печатных плат с гарантированным качеством. Был составлен комплекс мероприятий, охватывающий широкий объем работ от поставки и внедрения оборудования с применением новых технологических процессов до строительных работ по созданию чистых помещений класса 1000, модернизации инженерных систем и станций очистки стоков от производства печатных плат. Таким образом, с внедрением новых этапов Плана реконструкции годовой выпуск печатных плат должен достигнуть 42 000 кв. м (в том числе многослойных печатных плат — 2000 кв. м).

Перспективы

В сложных условиях экономических реформ Государственный Рязанский приборный завод не замыкается на серийном производстве. Сегодня мы активно сотрудничаем с ведущими научно-исследовательскими организациями России, совместно с которыми участвуем в разработке, изготовлении и испытаниях перспективных изделий.

Кроме того, в настоящее время мы получаем множество заказов на проектирование и производство печатных плат не только по нашей отрасли, но и, например, от нефтегазодобывающих компаний. При этом проекты печатных плат, созданные в других организациях, в подавляющем большинстве случаев нам приходится «доводить» самостоятельно, устраняя имеющиеся ошибки. Конечно, важную роль здесь играет не только высокая квалификация наших специалистов и возможность оценить поступившие проекты взглядом «стороннего» эксперта, но и богатые функциональные возможности программного обеспечения, применяемого на ГРПЗ в процессе проектирования плат и подготовки их к производству.

Говоря о перспективах развития производства печатных плат, необходимо еще раз подчеркнуть актуальность регулярного обновления не только технологического оборудования для собственно производственных процессов, но и программного обеспечения. В связи с этим отметим, что новая версия системы CADdy EDS 7.0 (в интерфейсе которой представлены рисунки настоящей статьи) — это полностью 32-разрядная САПР. Она позволяет вызвать на экран произвольное количество окон и, таким образом, одновременно работать с несколькими листами принципиальной схемы, с монтажной схемой, отслеживая также автоматические изменения состояния печатной платы, фотошаблонов, файлов сверления, масок для пайки и т.д. (рис. 10).

Система поддерживает обмен необходимой информацией между разделами проекта. Поэтому любые изменения, произведенные проектировщиком в одном из окон (например, добавление новых элементов на принципиальной схеме), немедленно вызывают соответствующие реакции в других окнах. Иными словами, функциональные возможности CADdy EDS 7.0 — те же, что и у предыдущих версий системы, плюс удобства нового интерфейса, реальной многооконности и пр. Подчеркнем, что наличия функций двухмерного проектирования в системе CADdy—Электроника достаточно для того, чтобы, не покупая модули машиностроительного черчения, решать все необходимые задачи по созданию чертежей компоновки, деталировочных и прочих, оставаясь «в пределах» CADdy EDS 7.0 и не обращаясь к какой-либо другой САПР.

В новой версии CADdy EDS существенно расширена база драйверов для выхода на периферийное оборудование. В нее включены практически все производимые сегодня в мире модели фотоплоттеров и фотонаборных автоматов, сверлильных станков, сборочных автоматов и т.д. Есть также интерфейс со многими имеющимися в России и за рубежом компьютерными системами для моделирования «поведения» электронных устройств и разработки на них соответствующих печатных плат.

В настоящее время компания ПОИНТ получает у германских разработчиков прикладного направления CADdy—Электроника специальные программные средства, объединенные в ToolKit и позволяющие интегрировать в новые системы пользовательские разработки последних лет. Это дает возможность отечественным проектировщикам использовать российские стандарты при разработке и изготовлении печатных плат.

В заключение необходимо подчеркнуть, что использование первоклассного программного обеспечения и современного оборудования для изготовления печатных плат позволяет нам пройти путь модернизации до конца: оснастить производство более современным технологическим оборудованием по гальванике, изготовлению защитных масок, золочению контактов и т.д.

Опыт ГРПЗ по технологическому перевооружению процесса разработки, изготовления и контроля качества плат представляется одним из перспективных путей выхода из кризиса, в котором оказались отечественные предприятия, использующие высокие технологии (в частности, оборонные). Главное в этом опыте — комплексный подход к решению проблемы, требующий проведения одновременной модернизации всех звеньев технологической цепи «проектирование печатных плат — выпуск продукции — контроль качества».

«САПР и графика» 3'2000