TSTE93 Analog konstruktion. Föreläsning 1

Transkript

1 TSTE93 Analog konstruktion Föreläsning 1

2 Personal N Mark Vesterbacka - kursansvarig Jonny Lindgren - projektansvarig Peter Johansson forskningsingenjör Arta Alvanpor - forskningsingenjör Kontor Andra våningen, mellan ingång 25 och 27 2

3 Dagens föreläsning Kursmaterial Examination Laborationer Projektuppgift Introduktion byggsätt 3

4 Kurslitteratur Ingen kursbok Websidor som beskriver olika tillämpningar, kretsar och applikationsnoter Kurshemsida Lab-anvisningar kommer att finnas på kurshemsidan eller på datorsystemet 4

5 Kursinnehåll Konstruktion av analogt system Analog audioförstärkare för 2.1 ljud Implementering av analogt system Konstruktion av mönsterkort Montering (lödning), mätning av analogt system Teknisk rapport 5

6 Projektuppgift Gå hela vägen från en specifikation till färdigt bestyckat kretskort Bygg modell över 2.1 audioförstärkare (vänster, höger, subbas) Bestäm karakteristik för subwoofer (bashögtalare) Design av analoga kretsar för att kompensera för icke-ideala egenskaper hos subwoofer Bygg kretskort och montera komponenter Mät och verifiera att ljudet låter bra 6

7 Examination Laborationsdeltagande Design av system Implementering av subsystem Mätning på färdigt delsystem Teknisk rapport och muntlig redovisning 7

8 Tidsplanering Under VT1 ska design-arbetet slutföras Färdig mönsterkortslayout Mellan VT1 och VT2 tillverkas mönsterkorten Under VT2 bestyckas mönsterkorten och testas Innan slutet av VT2 ska en skriftlig rapport skrivas och godkännas 8

9 Dagens föreläsning Designflöde Byggsätt för elektronik Mönsterkortstillverkning Datorverktyg 9

10 Designflöde Specifikation krav Val av systemuppbyggnad Design av subsystem, val av komponenter Simulering för validering av krav Implementering, montering, test 10

11 Komponenter, Kapsling Alla komponenter har anslutningspunkter Ben på reistanser, kapacitanser Pinnar på IC-kretsar Kabelskoanslutningar Skruvanslutningar på stora kapacitanser Punkter på undersidan av IC-kretsar 11

12 Komponenter, Kapsling, forts. Samma typ av komponent kan se ut på många olika sätt Exempel: Resistanser Olika monteringssätt Hålmontering Ytmontering Maximal effekt Maximal temperatur Möjlighet avleda värme 12

13 Komponenter, val av typ Material Kolfilm Metallfilm trådlindade Nogrannhet, stabilitet Avvikelse från märkvärdet Temperaturberoende Långtidsstabilitet Signalegenskaper Anpassning mot impedanser Risk för störningar 13

14 Byggsätt Kopplingsplatta (breadboard) Ingen lödning, lätt att ändra, osäker kontakt, dålig mekanisk stabilitet Direkt lödning på komponenter Ingen struktur, känsligt för mekanisk påverkan svår att tillverka, hårdvaru-hack Virning Ingen lödning, svåröverskådligt, säkrare elektrisk förbindning än lödning, risk för störningar 14

15 Byggsätt, forts. Experimentkort Svårt göra kompakta kort, mycket extra arbete, manuell hantering Mönsterkort Lödning, speciellt tillverkat för varje applikation, automatisk montering och lödning möjlig Större uppstartskostnad Diverse specialkapslingar etc. System in package, Multichip modules 15

16 Fördelar med mönsterkort Ger god kontroll på anslutningarnas egenskaper Parasitiska egenskaper Mekaniskt stabila Sprider värme utvecklad i komponenterna Effektivt sätt att producera stora serier Enkelt att automatisera produktion av kort Möjliga att automatiskt bestycka och löda Automatisk montering Våglödning eller omsmältningslödning (engelska: reflow) 16

17 Mönsterkort Isolerande skiva med metallmönster, hål för koppling mellan lager Koppar deponeras inuti hålen (genomplätering) Isolerande lack över mönstret utom vid anslutningspunkterna, så kallad lödmask Tryck med info om komponenter etc. på båda sidorna Engelska: legend eller silkscreen Förtenta anslutningspunkter Förgyllda kontaktytor 17

18 Mönsterkort, forts. Flera lager möjliga Enkelsidigt billigast Byggs som en lager på lager konstruktion Vanligen upp till 20 lager Flera lager kräver anslutningar mellan lager (Engelska: via) Vanlig via (1) Blind via (2) Begravd via (3) 18

19 Mönsterkort, material Olika elektriska och mekaniska egenskaper hos olika kretskortsmaterial Temperaturutvigdningskoefficient (CTE), ppm expansion/ C Glasomvandlingstemperatur (Tg), temperatur när isolatorn mjuknar Dielektricitetskonstant (εr eller DK), förmåga att lagra laddning, ska vara liten (för höga hastigheter) och konstant för att få rätt impedans Förlustfaktorn (dissipationsfaktorn) (tan δ), växelströmsförluster 19

20 Mönsterkort, vanliga material Glasfiberepoxi (ofta kallad glasfiberlaminat) Epoxiplast armerad med glasfiber FR4: med flamhämmare Tg ca C => max 85 C arbetstemperatur εr ca 4.5, max frekvens ca 1 GHz HTFR Tg ca 180 C BT-epoxi Annorlunda epoxi, likadan glasfiber Bättre termisk egenskap (Tg ca 200 C) Lägre εr Bättre för hög temperatur och höga frekvenser 20

21 Mönsterkort, vanliga material, forts. Teflon (vanligen glasfiberarmerat) Bra högfrekvensegenskaper Klarar höga temperaturer (ca 260 C) Svåra att bearbeta (mjukt) Svårt att få koppar att fästa Polyimid (glasfiberarmerat) Bra temperatur och mekaniska egenskaper Vanligt inom flyg, rymd och militärt Dyrt 21

22 Mönsterkort, vanliga material, forts. Fenolpapper, epoxipapper Papper ihoppressat med fenolhartslim eller epoxiplast Kallas FR-2 respektive FR-3 Dåliga mekaniska och elektriska egenskaper Lätt att bearbeta (hål, fräsning, etc.) Billigt, används ofta i hemelektronik CEM Kombinerat expoxipapperslaminat och glasfiberlaminat Liknar FR4s egenskaper Enkelt att bearbeta 22

23 Mönsterkort, speciella material Flexibla laminat Mjuk plastfilm laminerad med kopparfolie T ex koppling inuti bärbara datorer och kameror Metalbaserade laminat Hög värmeledningsförmåga Thin glas Tunna (~0.1 mm) glasskivor Tg drygt 600 C 23

24 Mönsterkort, montering och lödning Manuellt Vanligt för prototyper och små serier Maskinellt Hålmonterat löds mha våglödningsmaskin Ytmonterade komponenter limmas fast, tillsammans med lödpasta. Komponenter monteras, lödpastan smälts i en ugn. Screentryck av lim och lödtenn Komponenter monteras ibland på båda sidorna 24

25 Hur mönsterkort tillverkas Fräs bort koppar för att få lämpligt ledarmönster Kopparlaminat borras och spår fräses för att få ledningsbanor Inga genompläterade hål Hobbytillverkning med etsning (enstaka kort) Färdigt laminat (enkelt eller dubbelsidigt) Applicera ledningsmönster, t ex med gnuggsymboler, tejp eller färg Alternativt använd fotoresist för att överföra mönster som skyddar ledningsmönstret på laminatet Etsa bort oönskad koppar (järnklorid, väteperoxid, syra...) 25

26 Industriell tillverkning av mönsterkort Standardiserat format för definition av mönsterkortslayout Beskrivning av ledningsmönster på de olika lagren Beskrivning av borrning och fräsningsmönster Vanligt format: Gerber ASCII (text) format med X och Y koordinater beskrivande utseende Mått anges oftast i mil (tusendels tum = millimeter) Mönsterkort tillverkas utgående från stora paneler som delas upp efter tillverkning i mindre mönsterkort Kombinera flera små eller duplicera samma kort på varje panel 26

27 Industriell tillverkning av mönsterkort (2lager) Liknar hobbytillverkning, men med fler steg och ett laminat med tunnare kopparfolie (så kallad baskoppar) Steg 1: Borrning Både hål för komponenter, via, och styrhål Steg 2: Hålplätering Belägg insidan i hålen med ett tunt lager koppar Steg 3: Lägg på fotoresist Ljuskänslig lack som kan härdas av UV-ljus Steg 4: Överför en kopia av ledningsmönstret på fotoresisten genom att belysa fotoresisten genom en fotoplottad film 27

28 Industriell tillverkning, forts. Steg 5: Framkalla fotoresisten (tvätta bort exponerad fotoresist) Negativt mönster finns kvar på laminatet. Exponerat är ytor som ska få tjockare kopparbanor Steg 6: Elektronlytisk plätering Laminat placeras i bad med kopparjoner, ström får koppar att fällas ut på exponerade ytor Lika mycket koppar fälls ofta ut som redan sitter på laminatet (totalt 35 um tjockt) Steg 7: Elektrolytisk applicering av ett tunt tennlager Skyddar önskat mönster mot etsning i efterföljande steg Steg 8: Ta bort fotoresist, etsa bort oönskad baskoppar 28

29 Industriell tillverkning, forts. Steg 9: Ta bort tennlagret Steg 10: Lägg på lödmask Lack som skyddar kopparbanor Hål i masken där lödning ska ske Ofta en grön lack som klarar höga temperaturer Steg 11: Komponentplaceringstryck Hjälp vid montering 29

30 Industriell tillverkning av flerlagerskort (> 2 lager) Ett eller flera dubbelsidiga kort tillverkas Korten lamineras tillsammans med bindark (prepreg) av expoxiindränkt glasfiberväv Korten hettas och pressas så att materialen flyter ihop Eventuellt läggs ytterligare prepreg och kopparfolie över/under för att få fler lager Slutligen borras hål, yttersta lagret ledningsmönster och plätering på samma sätt som för 2-lagers kort ovan 30

31 Test av kort Optisk verifiering Kan göras vid flera av stegen (inte enbart efter sista) Elektrisk verifiering Bed of nails (fjäderbelastade nålar trycks mot mönsterkortet) Testa kortet Hög spänning (~300V) för att kolla isolationsavstånd Röntgenavsyning av flerlagerskort Se inuti kortet Verifiera innerlagrens utseende/placering Kan även kontrollera ledningstjocklekar etc. 31

32 För mer information om mönsterkort Mönsterkort : från CAD till kort, Esbjörn Johansson 32

33 Tillbaks till designflödet Beskriv funktion hos subsystem, inklusive krav Välj kretsstruktur för att implementera funktion Beräkna komponentvärden Välj komponenter från bibliotek av tillgängliga komponenter (både elektriska och mekaniska egenskaper) Verifiera mha simulering att det fungerar Skapa mönsterkort Simulera/verifiera Montera Mät 33

34 Komponentdefinitioner Varje komponent i CAD-systemet beskriver två typer av information Elektrisk modell (spice-modell) använd för simulering av beteende Footprint beskriver komponentens utrymme på mönsterkortet, var och hur stora lödanslutningarna ska vara, samt hur komponenttrycket ska se ut Kretsen som beskrivs i Multisim kan exporteras till Ultiboard Multisim för simulering av elektrisk funktion (transientanalys, frekvensberoende etc) Ultiboard för att skapa mönsterkortslayout 34

35 Ultiboard Indata: nätlista med komponentdefintioner Vilka komponenter och hur de ska kopplas ihop Process för skapande av mönsterkortsdesign Definiera mönsterkortets antal lager och storlek Placera eventuella andra begränsingar, tex hål Placera komponenter på lämpligt sätt Koppla ihop anslutningarna på komponenterna mha ledare Kontrollera att inga ledare kortslutits eller glömts bort Exportera design till lämpligt format för tillverkning 35