фабрики

Последняя миля: как проект печатной платы превращается в готовое серийное изделие

859
0
01/12/2022
Изображение создано с помощью нейросети
фабрики
859
0
1 декабря 2022
Последняя миля: как проект печатной платы превращается в готовое серийное изделие

Запуск изделия в производство — важнейший этап в жизненном цикле любой фабрики. Но эта кульминация проекта — только верхушка айсберга в длительном процессе превращения абстрактного чертежа в безупречный электронный модуль.
Руководитель департамента подготовки производства по направлению печатных плат YADRO Евгений Дыбошин рассказывает, какой путь проходит печатная плата от технического замысла до физического образца, готового пойти в серию.

Изображение создано с помощью нейросети
— Евгений, расскажите, пожалуйста, какие этапы проходит печатная плата с самого начала и до подписания в серию?

Всё начинается с заказчика, которому она нужна. Учитывая его потребности, составляется техническое предложение. В современном мире из-за сложности изделий написание ТЗ на разработку платы может занять значительное время, поэтому инженеру-схемотехнику порой проще самому «развести» плату, чем составлять объемное исчерпывающее описание. Он производит расчеты электросхем, определяет тепловые режимы работы элементов, выбирает элементную базу изделий. Когда требования к будущему изделию определены и прописаны, техническое задание и электрическую схему с просчитанными параметрами передают конструктору. Он делает компоновку, выбирает схему подключения элементов, ориентируясь на указанные габариты и другие параметры. Далее конструктор оптимизирует топологию, прогоняет проект через систему проверки целостности цепей и структуры. Разрабатывает сопроводительную документацию, такую как чертежи на плату или бланк заказа. Финальный этап — выбор производителя печатной платы.

— Чем занимается руководитель отдела подготовки производства? Что в зоне вашей непосредственной ответственности?

Работа нашего отдела начинается с анализа конструкторской документации. С этого момента мы постоянно на связи с разработчиками. Прорабатываем чертежи, смотрим, сможем ли выполнить все требования, ищем компромиссы в сложных ситуациях.

Помимо анализа конструкторской документации, мы разрабатываем управляющие программы для станков с ЧПУ. Также сопровождаем производство: следим за тем, как первая плата пройдет те или иные этапы. После прессования мы должны проверить, как у нас ужались слои, и задать корректировки параметров с учетом всех усадок. Только после этого плата уходит в серию.

Но и это еще не всё. Мы проводим панелизацию под монтаж. На полях прямоугольной заготовки расставляем реперные знаки под наше оборудование, отверстия для крепления на станках, и только в конце, когда эта разметка сделана, мы вырезаем то, что напоминает готовое изделие. Если плата планируется с импедансом, то добавляем еще тест-купон для его определения.

Ну, и последнее, что мы делаем, — пишем скрипты, повышая автоматизацию процесса. Например, для импеданса мы должны создать купон на основе топологии. Скрипт берет все данные из платы и сам рисует купон без нашего участия. Но чем сложнее плата, тем критичнее присутствие человека.

— Высокотехнологичные операции, как правило, связаны с высокой степенью автоматизации. Как с этим обстоят дела в отделе подготовки производства?

Мы работаем над этим. То, что обычно делается руками, мы автоматизировали уже процентов на тридцать. И этот показатель со временем будет расти. Многое зависит от того, в каких форматах нам предоставляют файлы. Есть, например, gerber-файлы. Это послойное изображение платы со схемой сверловки. Никакой дополнительной информации они не несут. А есть файлы ODB++. Это уже непосредственно выгонка платы, которая содержит информацию о стеке и расположении компонентов. Все эти данные позволят нам сократить количество операций на этапе подготовки и повысить степень автоматизации.

С другой стороны, данные мы получаем от конструкторов и зависим от них. Эти сведения могут быть не совсем корректными. Для выявления таких неточностей мы применяем проверку отступов и правильности списка цепей (DRC). Эта DRC есть в любой CAD-системе. Но она не всё учитывает — может показать, что на определенном отрезке всё хорошо, а там на самом деле вся связь полигона «висит» на одной ниточке, которая меньше 0,1 миллиметра. Автоматизированная система может пропустить такое, а мы понимаем, что это кандидат в брак, связываемся с конструктором и указываем ему на это узкое место. При этом конструктор может быть по-своему прав: у него плата работает. Только для серийного производства такой надёжности явно недостаточно.

— По каким причинам случаются такие конструкторские недочеты? Человеческий фактор?

Всякое бывает. Сроки разработки жесткие, а проектирование платы — сложный комплексный процесс, человеческий фактор тут неизбежен. Также существуют разные CAD-системы. Есть системы с широкой функциональностью, а есть, например, Sprint Layout — самый простой. В этой системе даже инженеры без опыта могут нарисовать плату. Только какая она будет? В таком проекте никаких моделирований не будет проведено, список цепей сделают на глаз, и посадочные места окажутся не из библиотеки элементов компании, а условные. Другое дело — Cadence Allegro или Mentor Graphics, серьезные системы проектирования, в которых очень много функций. Если в инструментах такого класса и допускаются какие-то ошибки, то это, скорее всего, исключительный случай.

— Производители в России сейчас работают с такими же инструментами, что и компании за рубежом?

Да, в основном используется программное обеспечение Genesis и InCAM. Специалисты или компании, которые занимаются сложными проектами, используют один или даже несколько инструментов этого класса. Китайцы, к слову, нам присылают скриншоты из тех же Genesis и InCAM, поэтому с уверенностью можно сказать, что ими пользуется вся индустрия.

— Главный поставщик программного обеспечения для отрасли — Соединенные Штаты?

Раньше были еще Израиль, Бельгия. Например, систему InCAM разработала израильская компания Frontline. Но теперь их перекупили Штаты. CAM350 — это Downstream Technologies, тоже американцы.

— То есть все на рынке пользуются одним набором ПО и похожим оборудованием. Значит ли это, что у российской печатной платы минимум отличий от китайской? Диэлектрик с одного завода не отличить от выпущенного на другом?

Напротив, каждая плата имеет свой характер. Степень ее уникальности зависит от сложности проекта и от авторского видения конструктора. Если работаешь с одними и теми же конструкторами годами, то начинаешь различать их почерк. Автоматика и программное обеспечение — только помощники.

— Сколько элементов может уместиться на современной плате?

Больше 100 тысяч.

— Отечественные платы по уровню сложности проектов не уступают зарубежным?

По ГОСТу существует семь классов точности исполнения сложных печатных плат. Если у нас шестой класс уже заявлен как серийный — это очень серьезное достижение. По IPC — стандартам международной ассоциации производителей электроники — всего три класса, и мы уже в третьем. И я вам больше скажу: любой техпроцесс — он как процессор, его можно разогнать. У меня была ситуация на одном из заводов, когда еще оборудование не обновили. Что-то пошло не так с гальваникой. Мы обратились к немцам, которые строили цех, и говорим: «У нас проблема». «А вы какие платы делаете на этом оборудовании?», — спрашивают. Мы говорим: «Двенадцатислойку». В ответ: «Как двенадцатислойку! Да вы что! Эта техника не предназначена вообще для такого класса плат!»

— То есть они сами не знали, что их линии способны изготавливать платы в двенадцать слоев?

Получается, что так. Но сейчас мы работаем уже на другом оборудовании. Надо отдать должное отрасли — она быстро меняется.

— Какой вы видите индустрию в обозримом будущем?

Индустрия изменится. Думаю, производители будут переходить к использованию материалов со сверхвысокочастотными свойствами. Будет усиливаться тренд на миниатюризацию. Площадь плат будет уменьшаться, и будут больше применять гибко-жесткие платы. Покрытия станут бессвинцовые, и их выбор существенно расширится.

— Чем СВЧ-материалы лучше традиционных?

Это физика. С повышением частоты сигнал переходит на поверхность проводника, возникает скин-эффект, то есть амплитуда электромагнитных волн увеличивается. В данном случае очень важно такое свойство поверхности, как шероховатость, а также низкий профиль фольги. Например, фольга с мелкой зернистостью — гарантия того, что потерь сигнала будет меньше. Еще эффективнее производство плат станет с улучшением тепловых параметров, так как одна из важнейших задач — максимально снизить усадку материала.

— Усадка повышает риск брака?

Представьте себе шерстяной свитер, который постирали в горячей воде и затем высушили. Что с ним произойдет? Скорее всего, он на вас уже не налезет. С печатными платами то же самое — когда мы травим слой или в процессе прессования проходим температуры около 260 градусов, то структура садится, как шерстяной свитер. Это вынуждает нас делать корректировки и заново печатать слои, но уже с учетом степени усадки по осям.

— Вы верите, что отрасль однажды перейдет на материал без усадки?

Почему нет? Возможно, у него будут даже идеальные параметры влагопоглощения. Сейчас, чтобы спрессовать плату, мы целый день выдерживаем стеклоткань, которая до этого хранится в холодильнике, при комнатной температуре. Такую адаптацию она должна проходить в специальном помещении с определенным классом чистоты и влажности, иначе наберет влагу, и тогда возможно расслоение при производстве платы.

Другой пример: когда мы плату изготовили, всё проверили, высушили, необходимо положить ее в вакуумный пакет и только в таком виде отправить на монтаж. В противном случае она тоже вздуется, но уже на монтаже.

— Вы профессионально занимаетесь печатными платами уже 16 лет. Какой видите родную профессию в следующие полтора десятилетия?

Такие специалисты, как я, будут уделять меньше времени непосредственному контролю за технологическим процессом, и произойдет это по одной простой причине — степень автоматизации повысится. Вероятно, приоритетной задачей моей профессии станет как раз администрирование автоматических систем, их совершенствование и развитие. А сама подготовка платы к производству будет представлять собой единый поток, в котором мы нажатием одной кнопки будем применять к той или иной плате определенные воздействия, затем проверять, что всё хорошо, и отправлять ее в производство.

Наверх

Будь первым, кто оставит комментарий