Ing. Václav Šimek

Laboratory for design and prototyping of an advanced electronic systems

Czech title:Laboratoř pro návrh a prototypovou realizaci pokročilých elektronických systémů
Reseach leader:Růžička Richard
Team leaders:Strnadel Josef, Šimek Václav
Agency:Fond rozvoje vysokých škol MŠMT
Code:FR2789/2010/Aa
Start:2010-01-12
End:2010-12-31
Keywords:hardware, printed circuit boards, electronic systems, external adapters, laboratory assignments, lecturing materials
Annotation:
The purpose of this project is to build up a set of tightly integrated workplaces focused on design, production, assembly and testing phase of printed circuit boards for advanced contemporary digital and analog systems. This laboratory will primarily open wide opportunities for practical implementation of various student's projects. Students will be able to make themselves acquainted with latest trands and, in the same time, to obtain many valuable practical experiences which might be difficult to get only through lectgures or measurement of already assembled devices. The other contribution may be recognized in the possibility to produce vairous demonstrators for laboratory assignments in-house. Moreover, such approach to printed circuit boards production will surely bring a significant economic advantages.
Project outputs:
Díky projektu bylo vybudováno 8 pracovišť, přičemž každé pracoviště koresponduje s jedním krokem návrhu a realizace pokročilého elektronického zařízení. Jsou to:

1. Pracoviště návrhu a simulace

Toto pracoviště je tvořeno PC s programovým vybavením vhodným pro návrh a simulace elektronických obvodů včetně návrhu desek plošných spojů (DPS). Celé pracoviště bude vytvořeno z prostředků fakulty. Fakulta informačních technologií v roce 2009 pořídila profesionální návrhový systém Altium Designer, který se hojně používá v průmyslu.

[img]

 

2. Pracoviště výroby motivu DPS

Stěžejním přístrojem tohoto pracoviště je počítačem řízená frézka LPKF ProtoMat S-62 a řídicí PC. Zařízení ProtoMat S-62 je vystavěno na pokrokové technologii nechemické prototypové výroby DPS. Přesnost zařízení umožňuje zhotovovat DPS na úrovni srovnatelné se současnými konvenčními technologiemi, přitom je však s ním výroba v kusovém množství výrazně levnější a dostupná okamžitě. Přesnost zařízení (opakované zaměření s rozlišením 10um) umožňuje vytvářet DPS (včetně vrtání otvorů) pro aplikace využívající nejnovějších pouzder součástek a opracovat desku např. pro vytvoření přímého konektoru. DPS může mít rozměry až 230 x 305 mm. Příslušenstvím je vakuový stůl umožňující přesné držení desky po dobu opracování a odsávání odfrézovaného materiálu. K dispozici je řada vrtáků pro otvory o průměru od 0,3 do 2mm, větší otvory lze vyfrézovat frézami, které také slouží pro opracování obrysu desky a samozřejmostí je řada nástrojů pro vytvoření motivů plošných spojů.

[img]

 

3. Pracoviště prokovení a pokovení

Pracoviště prokovení a pokovení je vybaveno zařízením pro elektrochemické pokovování LPKF MiniContac RS. Toto zařízení dokáže nanášet vrstvu kovu (mědi) na příslušná místa DPS. Tímto způsobem lze vytvářet zejména propojení mezi vrstvami DPS s vysokou vodivostí. Zařízení je kompaktní a nevyžaduje zvláštní údržbu. Je řízeno vestavěným mikrokontrolérem a ovládá se pomocí menu. Maximální velikost DPS koresponduje s velikostí DPS obrobitelné na ostatních pracovištích (až 230 x 305 mm). Dále toho pracoviště umožňuje provádět chemické pocínování motivu DPS pomocí přípravku EG-02, který představuje uzavřenou nádobu s roztokem chemického cínu. Tímto postupem se zabrání povrchové oxidaci DPS před osazením součástkami.

[img]

 

4. Pracoviště vícevrstvých plošných spojů

Pracoviště vícevrstvých plošných spojů umožňuje vytvořit DPS složenou z až 8 různých vrstev. To je důležité zejména u pokročilých číslicových systémů, které se vyznačují velkým množstvím spojů (sběrnice, desítky datových a adresových vodičů, rozvody napájení a hodinových signálů) spolu s obtížnými prostorovými podmínkami (součástky s velkým počtem vývodů velmi blízko u sebe, např. v pouzdře BGA). Navržení běžné DPS v jedné nebo dvou vrstvách (oboustranná DPS) je pro takové systémy často nemožné. Pracoviště výroby motivu DPS (2) dokáže produkovat motivy DPS s dostatečnou přesností a opakovatelností, což umožní jejich složení do více vrstev. Jednotlivé vrstvy desky je však třeba pevně, přesně, kvalitně a trvanlivě spojit bez vzduchových bublin či nečistot. Takové spojení se provádí laminací za vysokého tlaku a s přesně dodrženým průběhem teploty v čase, čehož je možné docílit se zvoleným zařízením Multipress S.

[img]

 

5. Pracoviště potisku a masky

Způsoby osazení a pájení moderních komponent elektronických obvodů (povrchová montáž, přetavení) vyžadují, aby části desky, které nemají být zasaženy pájkou, byly kryty maskou. Zamezí se také vytvoření vodivých můstků z pájky mezi blízkými vodiči. Zejména v prostředí školy (zvláště pokud jde o elektronické zařízení, na kterém budou pracovat studenti) je užitečné, pokud je DPS navíc potištěna popisky. Nejprve se provede nanesení vrstvy polymerového filmu pomocí nástrojů a zařízení ze sady LPKF ProMask nebo ProLegend. Nanesenou vrstvu je třeba vytvrdit po dobu třiceti minut horkým vzduchem. K tomuto účelu pracoviště obsahuje horkovzdušnou troubu. Následně se nanesená vrstva exponuje přes fólii s natištěným motivem masky nebo popisků pomocí zařízení AZ210 D/S UV. Fólii, přes kterou se motiv exponuje, lze potisknout běžnou laserovou tiskárnou. Nakonec se exponovaná vrstva vyvolá vývojkou ze se sady ProMask nebo ProLegend.

[img]

 

6. Osazovací pracoviště

Účelem tohoto pracoviště je zajištění potřebného zázemí pro osazení zhotovených DPS. Protože předchozích pět pracovišť umožní navrhnout a vyrobit DPS na špičkové současné úrovni, je třeba zajistit i odpovídající možnosti osazení moderních komponent. Zejména se jedná o SMD součástky v pouzdrech typu PQFP, BGA, QFN nebo diskrétní komponenty (odpor, rezistor, cívka, dioda) v pouzdrech 0402, 0603 či SMA. Jádrem pracoviště je profesionální osazovací stanice ESSEMTEC EXPERT-FP. Základními prvky stanice jsou osazovací hlava s výměnnými vakuovými pipetami, karusel se 45 zásobníky na drobné součástky a univerzální držák pro současné osazování několika DPS. Díky značné flexibilitě či modulárnosti stanice lze možností jejího použití podstatně rozšířit doplněním osazovací hlavy optickou soustavou a video systémem. Je tak možné osazovat i součástky s velmi jemnou roztečí vývodů, komponenty v pouzdrech typu BGA a dokonce provádět kontrolu správnosti osazení DPS.

[img]

 

7. Pracoviště pájení přetavením

Moderní integrované obvody, zejména číslicové, mají velmi mnoho vývodů. Již nestačí vývody na okrajích pouzdra, vývody se objevují na spodní straně pouzdra v několika řadách. Tam jsou však nedostupné klasickému pájení páječkou s hrotem. Jediný možný způsob pájení je pak tzv. přetavením. Tento proces je však velmi náročný na průběh teploty, přičemž různé součástky s různými pájkami se v požadovaných teplotních profilech liší. Teplotní profil se na navrženém pracovišti zajišťuje přetavovací pecí SMD-2007 s přetavením řízeným mikroprocesorem. Pracuje tedy zcela autonomně, je však možné teplotní profil přetavení upravovat dle potřeby pomocí zabudovaného LCD displeje, případně i z PC. Toto zařízení je plně kompatibilní s bezolovnatým procesem pájení dle platných regulí EU. Maximální rozměr vnitřního pracovního prostoru činí 350 x 400 mm, což umožní vložit současně dvě DPS vytvořené na předchozích pracovištích.

[img]

 

8. Pracoviště testování a oživení

DPS s osazenými součástkami je třeba oživit, otestovat a lokalizovat případné nedostatky, aby je bylo možno odstranit. Elektronické zařízení vyžaduje v první řadě kvalitní zdroj, nejlépe poskytující několik přesných řiditelných napětí a proudová omezení. Tím je programovatelný laboratorní zdroj Agilent N6700B s modulární architekturou, kdy lze základní šasi osadit až 4 různými moduly s ohledem na aktuální požadavky. Zařízení lze snadno ovládat pomocí zabudovaného LCD displeje nebo díky SW aplikaci i z uživatelského PC přes rozhraní USB, LXI nebo GPIB. Dále je pracoviště tvořeno čtyřkanálovým generátorem signálů s volitelným průběhem Tabor WW2074, logickým analyzátorem Agilent 16823, čtyřkanálovým osciloskopem Agilent Infiiniium 90254 a digitálním multimetrem Agilent 34401A.

[img]

Your IPv4 address: 54.90.237.148
Switch to IPv6 connection

DNSSEC [dnssec]