12.08. Передовая техника

Карандашный эскиз схемы, вручную преобразованный сначала в монтажную схему платы ПС и затем в ленточный майларовый транспарант - традиционная техника конструирования плат ПС, которая применялась почти повсеместно в середине годов. При изготовлении простых плат этот путь пока еще определяющий и, в частности, если вы не делаете попыток устанавливать новые рекорды по плотности компонентов на плате. Имея небольшой набор шаблонов для двусторонних плат, несколько непрозрачных полосок, координатный стол с нанесенной сеткой и несколько чистых майларов, вы можете приступать к делу. И вам не нужно покупать дорогостоящее программное обеспечение САПР (и учиться им ), затрачивать средства на графопостроитель и т. п.

Однако как только вы пожелаете конструировать высокоплотные платы и начнете размещать вплотную друг к другу 50 или 100 ИМС, для чего вам потребуется выстилать 4 или 6 слоев с нормой проектирования 10-10, хорошая жизнь для вас закончится. Даже приложив невероятные усилия и четырехкратное увеличение размера майлара, вам трудно будет достичь требуемой точности в межслойной подгонке. К тому же, вам необходим будет месячный отпуск, чтобы восстановить силы, затраченные при выполнении трассировки. Первая же изготовленная плата наверняка будет содержать ошибки, а любое изменение в ленточном майларе - сущий ад. Оно часто требует большого количества операций по установке и снятию проволочных соединений (что обычно приводит к новым ошибкам). Мы в этом не сомневаемся.

САПР/АСУП.

Решением проблемы является САПР/АСУП (система автоматизированного проектирования и производства). Пакеты программного обеспечения этих систем мощны, а с появлением настольных терминалов, подключенных к главной ЭВМ, с памятью несколько мегабайт, с блестящей графикой и быстродействием десятки миллионов операций в секунду, вы можете работать и без специальных аппаратных средств. До некоторой степени популярны системы автоматизированного проектирования ПС, поставляемые фирмами Valid Logic, Mentor Graphic и Daisy System. Они недешевы, но и не становятся более дорогими. Здесь мы кратко ознакомим вас с конструированием плат с помощью САПР .

Ввод описания схемы. Работа начинается с ввода описания вашей схемы непосредственно на графическую рабочую станцию. Вы можете чертить и редактировать схему, используя стандартные электронные символы из «библиотеки». Также, как и в текстовом редакторе, вы можете привлечь старые работы, выделить в них фрагменты, которые вам нужно воспроизвести (например, схема управления динамического ОЗУ, активный фильтр и т. п.). Используя «мышь» (или другие дистанционные манипуляторы такие как джойстик, трэкбол или графический планшет), можно перемещать фрагменты вместе с линиями соединений, которые тянутся вслед за движущимся фрагментом (не всегда успешно!). Вы присваиваете имена сигналам, нумеруете части ИС и т. д. Хорошие САПР иерархичны: например, вы можете сделать высший уровень, в котором основные узлы схемы указываются в виде больших блоков, каждый блок открывается для показа его субблоков и, наконец, низший (элементный) уровень описания. На любом этапе можно получить на руки копии, отпечатанные с помощью лазерного принтера. Смотрите Приложение Д, в котором приводятся некоторые дополнительные соображения.

Контроль и моделирование.

(см. оригинал)

Рис. 12.8. Часть сложной схемы, по которой сделана плата ПС, изображенная на рис. 12.11 а - выполнено вручную чернилами на чертежном столе; б - машинный чертеж, выполненный с использованием программ ввода описания принципиальной схемы в фирме Case Technologies.

По окончании ввода описания схемы вы будете иметь комплект чертежей (рис. 12.8) и таблицу соединений, в которой просто перечислены сигналы в узловых точках («нодах») с указанием всех выводов компонентов, соединенных с ними.

На этой стадии проектирования безусловно много времени тратится на наладку схемы и приведение ее в вид, согласующийся с вашими требованиями. В хороших САПР предусмотрена помощь - сигнализация при наличии грубых ошибок, например, выход соединен с землей или с другим выходом. САПР может по вашему запросу смоделировать работу цифровой схемы, но при этом вы должны обеспечить ее тестовыми «векторами», описывающими машинные состояния, и должны описать функцию каждого чипа в вашей схеме, так как они не всегда имеются в библиотеке. Поскольку для сложных чипов, таких как микропроцессор, требуется много описаний, некоторые САПР имеют гнездо, в которое можно вставить такой сам можно потом использовать для аппаратного моделирования.

Можно также запросить САПР выдать всю обширную документацию, в которой указываются а) для каждого названного сигнала все ноды, к которым он поступает, и б) для каждого вывода любого компонента все ноды, с которыми он соединен. Хорошие системы даже могут информировать вас, если будут нарушены нормы нагрузки цифровых выходов и т.д.

Размещение и трассировка. На этом этапе вы устанавливаете компоненты и формируете разводку соединений. Одним из самых больших достоинств комплексной САПР/АСУП является то, что она автоматически выделяет таблицу соединений в соответствии с представлением вашей схемы - и, если схема правильна, то конечная плата также будет верной. Хотя с помощью некоторых САПР можно добиться почти идеального размещения компонентов, все же лучше это делать вручную. Также, как и при вводе описания схемы здесь используют мышь, джойстик или графический планшет. Сначала устанавливаются контуры платы, в пределах которых вы теперь располагаете части схемы. Поскольку в библиотеке компонентов содержится информация о контурах и выводах, вы подбираете характеристики ИМС и форму компонентов. Если вы допустили ошибки в нормах проектирования, то в хороших САПР они высвечиваются, и вы можете видеть, например, что части расположены слишком близко друг к другу и т.п.

Когда размещение закончено, переходят к формированию разводки. Обычно сначала выводят на экран дисплея так называемое «мышиное гнездо», т. е. плата изображается со всеми соединениями, показанными в виде прямых линий, соединяющих соответствующие выводы. Это выглядит как запутанное месиво. Творчески используя цвет, вы можете выборочно выделить, например, только линии соединения с питанием и с землей.

В ранних САПР трассировка была трудоемким процессом, так как осуществлялась практически вручную лишь с небольшой помощью компьютера. Выпускаемые в настоящее время САПР обеспечены программами автоматической трассировки. Система отыскивает пути соединения, следит за соблюдением норм проектирования, касающихся не только ширин линий и зазоров между ними, но и таких параметров, как максимальное число межслойных переходов (металлизированные сквозные отверстия, используемые не для компонентных выводов, а только для сигнальных дорожек). Лучшие машины САПР могут осуществлять маршрутизацию на 100% автоматически, хотя результат при этом не обладает той элегантностью линий, которая присуща ручному исполнению. Например, соединительную дорожку можно проложить на таком расстоянии от контактной площадки, которое вам больше нравится. Даже, если трассировка выполнена в соответствии с нормами проектирования, вы можете творчески подойти к изготовлению платы и сделать ее более удобной для монтажа и распайки, сместив положение межслойного перехода подальше от контактной площадки. Обычно, чтобы таким образом выправить машинную трассировку, требуется несколько часов (рис. 12.9).

Рис. 12.9. Фотография системы проектирования платы ПС (Racal-Redac), показывающая ручную «правку» треков маршрутизации. Курсор, управляемый через иголки графического планшета, указывает схемный трек, который следует модифицировать. Дисплей цветной, изменяя цвет и интенсивность, обозначают различные слои, контуры элементов, надписи и т.п.

В сложных цифровых схемах вы можете значительно упростить трассировку, придавая новое назначение вентилям или секциям внутри чипов и даже заменяя вентили между корпусами ИМС. Например, у вас шина данных в 1 байт связана с восьмеричным регистром D. Исходное назначение битов шин и битов соответствующего регистра таково, что каждая линия должна перескакивать через соседнюю, в то время как при обращении в регистре порядка битов пересечений не должно быть. САПР делает это автоматически (библиотечная спецификация каждого чипа идентифицирует дублированные функции) и даже сообщает об изменениях в схематике («обратное аннотирование») модифицируя таблицу соединений.

Конечный этап заключается в проверке предложенной трассировки на нарушение норм проектирования, а также на точность соответствия схеме. Это важно, так как вы можете сами внести изменения в таблицу соединений в соответствии с переделанной схемой. На этой стадии все САПР выдают выполненный на бумаге чертеж маршрутизации, на котором конструкционные сочетания компонентов, проволочные соединения, обозначения и т.п., сделаны ошеломляющей гаммой цветов.

Фоточертеж и «лента сверленый». Если все прошло хорошо, то в заключение составляется описание платы на машинном языке специально для изготовителя ПС.

Для этого необходимы две вещи: лента с инструкцией фотоплоттеру как чертить точный «оригинал» (отдельно рисунок металлизированных дорожек для каждого слоя, рисунок для паяльной маски, рисунок маскирующих экранов для печатных обозначений и пояснений) и лента сверлений, в которой указывается размер каждого отверстия и его точное местоположение. Лента оригинала обычно записана в «Gerber формате». Название формата соответствует марке фотоплоттера, в котором экспонирование пленки осуществляется под неподвижным проектором, а оригиналодержатель перемещается в соответствии с командами, записанными на ленте. (В новейших фотоплоттерах используется лазерное сканирование, благодаря чему за минуту получают большее количество чертежей, чем за час работы машины Gerber.) Некоторые изготовители плат ПС просят поставлять конечные фоточертежи (рис. 12.10), в то время как другие запрашивают саму ленту для Gerber. Как это ни странно, но некоторые фирмы отказываются от лент сверлений и предпочитают собственноручную разметку отверстий, оцифровывая оригинал фотошаблона. Они при этом утверждают, что поставляемые заказчиком ленты сверлений содержат иногда такие невероятные сбои в командах, что в сверлах разрушаются режущие кромки. Ленты сверлений - это не магнитные, а бумажные ленты!

Производство плат. Во всем мире пользователи не сами изготовляют платы, а обращаются к фирмам, выпускающим платы ПС. Их много и они с удовольствием выполнят ваш заказ (рис. 12.11), конечно, за плату. Некоторые фирмы специализируются на изготовлении малых партий, быстро изменяющихся прототипов, а другие могут делать только производственные количества. Ваша первая задача выяснить, какие фирмы выпускают высококачественные изделия. Это не так-то легко, как кажется. Телефонные переговоры здесь не помогут, так как можно знать как изготовить хорошую плату и при этом сделать плохую. Предлагаем вам некоторые приемы, которые можно испробовать. (а) Рассмотрите маркировку на хороших платах, имеющихся у вас в наличии (например, такие платы можно найти в устройствах или в компьютерах ведущих фирм, которые подобно вам, обычно приобретают платы для себя у внешних изготовителей) - компании такие, как IBM и Apple весьма осторожны в выборе поставщика плат, (б) Опросите знакомых - кто обычно делает для них платы? (в) Поезжайте, нанесите визит в фирму, изготовляющую платы. Будучи там, обратите внимание на работников, на их уровень опрятности, нравственности, природной интеллигентности, тщательности исполнения и гордости мастера. Попросите посмотреть несколько плат, (г) И наконец, если вы знаете кого-нибудь из работающих в отделе испытаний еще не закрытых плат, уговорите его подсказать вам, кто делает хорошие платы. Работающие там - неплохие ребята и реально знают все, что вам нужно, но совсем необязательно, что они будут разговаривать с вами!

Далее, вы должны договориться о цене и сроках. Будьте готовы ответить на следующие вопросы, которые каждая фирма, изготовляющая платы, поставит перед вами:

1. Размеры платы?

2. Число слоев (сторон)?

3. Нормы проектирования (минимальные ширина проводящих дорожек и зазор между ними)?

4. Каковы печатные разъемы с позолоченными ламелями?

5. Какие форму и внешний вид платы вы предпочитаете?

6. Паяльная маска? Жидкая или сухая? Закрывать межслойные переходы или нет?

7. Толщина платы и медной металлизации?

8. Число отверстий?

9. Размеры отверстий?

10. Маскирующие экраны для 2-х сторон, 1-й стороны или без них?

11. Какие нестандартные операции, например, «сухая маска по открытой меди»?

В соответствии с договоренностью, вы должны предоставить фирме следующее: 1) шаблоны рисунков в рабочем масштабе с фотопозитивным слоем (т. е. непрозрачное - медь);

(см. оригинал)

Рис. 12.10. Фоточертеж для двусторонней платы, изображенной на рис. 12.11. Фотография сделана, как это принято, с компонентной стороны, но чертеж нижнего слоя также виден.

(см. оригинал)

Рис. 12.11. Законченная двусторонняя плата микропроцессора. При проектировании следовали норме 12-12. Более высокую плотность элементов можно достичь, только ужесточая норму проектирования или, лучше, увеличивая число слоев.

2) рисунок (ки) паяльной маски;

3) рисунок (ки) маскирующих экранов;

4) чертеж сверления (рисунок отверстий, кодированных по размерам);

5) механический чертеж (точный контур, подогнанный под специальные отверстия);

6) лента сверлений (бумажная лента; часто необязательно);

7) дополнительные спецификации и замечания.

Последний пункт важен. Вы должны точно указать минимальную ширину дорожек (перетравленные платы имеют очень тонкие дорожки), минимальный зазор между проводниками (недотравлен-ные платы), минимальное кольцеобразование (вызываемое плохой подгонкой отверстий или слоев), допуски на конечные размеры отверстий, минимальную толщину покрытия из меди (или припоя), максимальное число разрешенных исправлений на плате и т. д. В индустрии плат обычно придерживаются некоторых типичных величин (например, стандарты ), но лучше иметь их четко сформулированными на случай, если вы получите неудовлетворяющую вас плату. Кроме того, плата может иметь нестандартные требования. Например, если используются необычайно малые контактные площадки под межслойные переходы, то указываемые для них допуски на кольце - образование желательно делать более жесткими, чем обычно.

Испытания. Для любой вновь проектируемой платы ПС всегда сначала делают несколько прототипов. Их устанавливают в гнезда и проверяют выходные параметры схемы. Можно ожидать дефекты нескольких сортов, а именно: а) ваша схема имеет ошибки проектирования; б) схема была верной, но вы допустили ошибку при вводе описания (которую вы должны были заметить раньше); в) имеют место ошибки в размещении проводящих дорожек, допущенные в процессе трассировки (они также должны быть замеченными ранее); г) дефекты в плате, обычно, короткое замыкание или обрывы, вызванные порчей, плохой подгонкой или другими причинами во время изготовления (см. ниже); и, наконец, д) имеются некоторые плохие компоненты или паяные соединения.

При необходимости устранить дефекты допускается вносить некоторые изменения в схему. Обычная процедура при этом сводится к разрезанию маленьким ножиком существующей фольговой дорожки и впаиванию проволоки, чтобы сделать новое соединение. Однако в многослойных платах с закрытым сигнальным слоем эта процедура практически неосуществима. Тогда вы можете изменить конечный пункт соединительной дорожки - выводы ИМС или компонентов. Хороший прием для этого - расположить одно над другим два гнезда ИС и удалить штырек из верхнего.

Во время испытаний отмечайте на вашем чертеже все изменения в электрической схеме для последующего учета их при вводе описания (или при черчении схемы от руки). Повторное испытание на САПР проходит уже легко и быстро; но нужно быть очень внимательным, поскольку вы, вероятно, перейдете непосредственно к рабочему прогону и любые неисправленные ошибки должны быть зафиксированы на каждом блоке. При необходимости можно использовать ту же процедуру разрезания и изготовления навесных перемычек, как и выше. При этом надо побеспокоиться о защите проволочного соединения (по-видимому, хороший эффект обеспечит пистолет с горячим воском). Эти дополнительные проволочные включения иногда называют «тараканьими проводниками»; официальный термин - ECO (Engineering Change Order).

Для возникновения дефектов при производстве плат имеется много причин (см. прекрасный справочник Coombs, в котором они представлены со всеми подробностями). В платах с высокой плотностью компонентов (рис. 12.12) даже незначительное повреждение может кое-где привести к короткому замыканию или к обрыву в схеме. А металлизированные насквозь отверстия сами по себе содержат все виды дефектов, которые могут привести к обрывам в схеме. Аксиома в электронике - издержки на ремонт брака умножаются с каждым этапом производства.

(см. оригинал)

Рис. 12.12. Часть 4-слойной платы, выполненной в соответствии с нормой проектирования 10-10. Устройства с поверхностным монтажем. Расстояние между контактными площадками - 1,25 мм, что позволяет сделать плотность элементов высокой. Видны также компоненты со сквозь-платным монтажем. В разъеме расстояние между центрами контактов равно 2,5 мм.

Так, плохое соединение легко устраняется в цеху на стадии изготовления. В процессе отладки его исправление требует много времени, а если плата уже пущена в работу, то ремонт ее сопровождается значительными расходами. Лучше всего платы проверять в незакрытом виде на фирме, изготовляющей их. Там они это делают с помощью изящного маленького устройства, имеющего набор штырьков, соответствующих контактным площадкам (набор этот составляется по вашей ленте сверлений). Как это ни кажется странным, но никто не проверяет незакрытые платы на соответствие с таблицей соединений. Вместо этого просто проверяют пачку плат и считают, что если они одинаковы, то и исправны. Хотя внимательный читатель и найдет здесь нарушение логики, но уверяем вас, что такой путь вполне себя оправдывает.

Монтаж накруткой с помощью САПР. Таблица соединений, составляемая в конце ввода описания схемы, содержит в себе все необходимое для создания схемы. Многие САПР предлагают выходные форматы, совместимые с устройством автоматического проведения монтажа накруткой. Вы начинаете с выбора местоположений компонентов на стандартной плате под монтаж накруткой (см. каталог образцов Augat), после чего САПР составляет специальную форму таблицы соединений, называемую список. В каждом входном сообщении содержатся координаты двух выводов, соединяемых проводами, и уровень накрутки (высота над платой) в законченном виде. По вашим лентам платы с машинной накруткой изготавливают такие фирмы, как и др. Обычно это занимает несколько недель и стоит около 6 центов за одно проволочное соединение плюс стоимость самой платы под монтаж накруткой (около 2 долл. за каждую позицию ИС). Как и в платах печатного монтажа, в платах под мочтаж накруткой могут иметь место дефекты. По нашему опыту почти в каждой плате обнаруживается один или два случая, обычно в виде оборванного провода, который отлично просматривается со стороны.

Серьезные проблемы возникают с прототипом плат с монтажом накруткой. Если ваша цель - изготовить плату ПС, то вы в конечном счете обязательно сделаете на ней трассировку. Так почему бы не использовать их в качестве прототипов для плат с монтажом накруткой. К тому же платы с накруткой ведут себя в работе не так, как платы ПС, вследствие индуктивности выводов, различий в длине соединения с земляным выводом и индуктивности земляного слоя. Это сильнее проявляется в быстродействующих логических схемах, таких, как или , или в матрицах элементов памяти с широкими сигнальными шинами. Обычно хорошие многослойные платы ПС имеют гораздо лучшие показатели, чем сравнимые с ними платы с монтажом накруткой. Поэтому для вас предпочтительнее создавать прототип с помощью платы ПС.

Конечно, если вы заказываете небольшое количество плат, то можно уклониться от одноразовых расходов на изготовление платы ПС и сразу строить платы с накруткой как конечный продукт. В этом случае рациональнее выбрать платы с машинной накруткой. Однако, не упустите из виду и одну из следующих альтернатив.

Многопроводный монтаж с помощью САПР. Многопроводный монтаж-продукт фирмы Kollmorgen Corporation, которая изготавливает искусные гибридные схемы на платах ПС с заказной маршрутизацией. Базовые платы имеют контактные площадки (как стандартные, так и заказные), которые служат для фиксации ваших ИМС и подводки питания и земли. Сигнальные межсоединения делаются, однако, не из дорожек печатного монтажа, а из тонких изолированных проводов (34 или 38), которые машинным способом укладываются в липкий слой на плате. Концы проводов присоединяются к контактным площадкам ИС в процессе металлизации отверстий.

Рис. 12.13. При таком уровне проектирования чипов системы САПР/АСУП - не роскошь, а необходимость. (С любезного разрешения Performance Semiconductor Corporation, Sunnyvale, California.)

Многопроводный монтаж обладает хорошими сигнальными характеристиками благодаря полноте плоскости заземления и тому, что такой монтаж позволяет относительно безболезненно вносить изменения при последующих рабочих прогонах. Поскольку для проводов (изолированных) нет запрета на пересечение друг друга, можно достичь очень высокой степени интеграции, сравнимой с алойными платами печатных схем. Kollmorgen утверждает, что многопроводный монтаж является таким образом более дешевым решением, чем заказные многослойные платы ПС, особенно при немногочисленных рабочих прогонах и если ваши схемы только разрабатываются.

САПР для ИС специального назначения (ИС СН). Мы заканчиваем повествование о САПР и полагаем, что теперь у вас и в мыслях не появится конструировать заказные или полузаказные (матрицы вентилей) ИС вручную (рис. 12.13). Они входят в общий класс «интегральных схем специального назначения» (ASIC-Application-Specific ). И снова САПР приходят на помощь. Благодаря программному обеспечению ввода описания и моделирования, вы можете до некоторой степени быть уверенными, что ваши чипы будут работающими. ASIC особенно целесообразно использовать в контексте реальных рабочих прогонов и мы полагаем, что эта ситуация со временем будет только улучшаться. Ко времени следующего переиздания этой книги станет общераспространенным конструировать заказные ASIC. Ваша местная кремниевая мастерская быстро обеспечит вас специальными ИС, предназначенными для именно такого сорта схем, для которых вы в данное время конструируете плату ПС, заполняемую стандартными ИМС.