Dagens föreläsning Kursmaterial Examination TSTE93 Analog konstruktion Laborationer Projektuppgift Introduktion byggsätt Föreläsning 1 Kent Palmkvist ES, ISY 3 Föreläsare etc. Kurslitteratur N Kent Palmkvist Ingen kursbok 013 28 13 47 Websidor som beskriver olika tillämpningar, kretsar, och application notes kentp@isy.liu.se Kurshemsida Kontor 3D:531 (Andra våningen, mellan ingång 25 och 27) http://www.isy.liu.se/edu/kurs/tste93/ Labbanvisningar kommer finnas på kurshemsida eller på datorsystemet 2 4
Kursinnehåll Examinering Design av analogt system Laborationsdeltagande Analog audioförstärkare för 2.1 ljud Design av system Implementering av analogt system Implementering av subsystem Design av kretskort Mätning på färdigt delsystem Montering (lödning), mätning av analogt system Teknisk rapport över systemet 5 7 Projektuppgift Tidsplanering Gå hela vägen från en specifikation till färdigt bestyckat kretskort Under VT1 ska designarbetet hinna slutföras Bygg modell över 2.1 ljudförstärkare (vänster, höger, subbas) Mellan VT1 och VT2 ska mönsterkorten tillverkas Bestäm karakteristik för subwoofer (bashögtalare) Under VT2 ska mönsterkorten bestyckas och testas Design av analoga kretsar för att kompensera för icke-ideala egenskaper hos subwoofer Innan slutet på VT2 ska en skriftlig rapport skrivas och godkännas Färdig mönsterkortslayout Bygg kretskort och montera komponenter Mät och verifiera att ljudet låter bra 6 8
Dagens föreläsning Komponenter, Kapsling Designflöde Alla komponenter har anslutningspunkter Byggsätt för elektronik Ben på reistanser, kapacitanser Mönsterkortstillverkning Pinnar på IC-kretsar Kabelskoanslutningar Skruvanslutningar på stora kapacitanser Punkter på undersidan av IC-kretsar Blyfritt 9 11 Designflöde Komponenter, Kapsling, forts. Specifikation krav Samma typ av komponent kan se ut på många olika sätt Val av systemuppbyggnad Exempel: Resistanser Design av subsystem, val av komponenter Olika monteringssätt Hålmontering Simulering för validering av krav Ytmontering Implementering, montering, test Maximal effekt Maximal temperatur Möjlighet avleda värme 10 12
Komponenter, val av typ Byggsätt, forts. Material Experimentkort Kolfilm Svårt göra kompakta kort, mycket extra arbete, manuell hantering Metallfilm trådlindade Mönsterkort Nogrannhet, stabilitet Lödning, speciellt tillverkat för varje applikation, automatisk montering och lödning möjlig Avvikelse från märkvärdet Temperaturberoende Större NRE (uppstartskostnad) Långtidsstabilitet Diverse specialkapslingar etc. Signalegenskaper System in package, Multichip modules Anpassning mot impedanser Risk för störningar 13 15 Byggsätt Fördelar med mönsterkort Kopplingsplatta (breadboard) Ger god kontroll på anslutningarnas egenskaper Parasitiska egenskaper Ingen lödning, lätt att ändra, osäker kontakt, dålig mekanisk stabilitet Mekaniskt stabila Direkt lödning på komponenter (kludge) Sprider värme utvecklad i komponenterna Ingen struktur, känsligt för mekanisk påverkan svår att tillverka, hårdvaruhack Effektivt sätt att producera stora serier Enkelt att automatisera produktion av kort Virning Möjliga att automatiskt bestycka och löda Ingen lödning, svåröverskådligt, säkrare elektrisk förbindning än lödning, risk för störningar Automatisk montering Våglödning eller omsmältningslödning (engelska: reflow) 14 16
Mönsterkort Mönsterkort, material Isolerande skiva med metallmönster, hål för koppling mellan lager Olika elektriska och mekaniska egenskaper hos olika kretskortsmaterial Koppar deponeras inuti hålen (genomplätering) Temperaturutvigdningskoefficient (CTE), ppm expansion/ C Glasomvandlingstemperatur (T g), temperatur när isolatorn mjuknar Isolerande lack över mönstret utom vid anslutningspunkterna, så kallad lödmask Dielektricitetskonstant (ε r eller DK), förmåga att lagra laddning, ska vara liten (för höga hastigheter) och konstant för att få rätt impedans Tryck med info om komponenter etc. på båda sidorna Förlustfaktorn (dissipationsfaktorn) (tan δ), växelströmsförluster Engelska: legend eller silkscreen Förtenta anslutningspunkter Förgyllda kontaktytor 17 19 Mönsterkort, forts. Mönsterkort, vanliga material Flera lager möjliga Glasfiberepoxi (ofta kallad glasfiberlaminat) Enkelsidigt billigast Epoxiplast armerad med glasfiber FR4: med flamhämmare Byggs som en lager på lager konstruktion Tg ca 130-140 C => max 85 C arbetstemperatur εr ca 4.5, max frekvens ca 1 GHz Upp till 10 eller 12 lager möjliga HTFR Tg ca 180 C Flera lager kräver anslutningar mellan lager (Engelska: via) BT-epoxi Annorlunda epoxi, likadan glasfiber Vanlig via (1) Bättre termisk egenskap (T g ca 200 C) Blind via (2) Lägre εr Begravd via (3) Bättre för hög temperatur och höga frekvenser 18 20
Mönsterkort, vanliga material, forts. Mönsterkort, speciella material Teflon (vanligen glasfiberarmerat) Flexibla laminat Bra högfrekvensegenskaper Mjuk plastfilm laminerad med kopparfolie Klarar höga temperaturer (ca 260 C) T ex koppling inuti bärbara datorer och kameror Svåra att bearbeta (mjukt) Metalbaserade laminat Svårt att få koppar att fästa Hög värmeledningsförmåga Polyimid (glasfiberarmerat) Thin glas Bra temperatur och mekaniska egenskaper Tunna (~0.1 mm) glasskivor Vanligt inom flyg, rymd och militärt Tg drygt 600 C Dyrt 21 23 Mönsterkort, vanliga material, forts. Mönsterkort, montering och lödning Fenolpapper, epoxipapper Manuellt Papper ihoppressat med fenolhartslim eller epoxiplast Vanligt för prototyper och små serier Kallas FR-2 respektive FR-3 Maskinellt Dåliga mekaniska och elektriska egenskaper Hålmonterat löds mha våglödningsmaskin Lätt att bearbeta (hål, fräsning, etc.) Ytmonterade komponenter limmas fast, tillsammans med lödpasta. Billigt, används ofta i hemelektronik Komponenter monteras, lödpastan smälts i en ugn. CEM Screentryck av lim och lödtenn Kombinerat expoxipapperslaminat och glasfiberlaminat Komponenter monteras ibland på båda sidorna Liknar FR4s egenskaper Enkelt att bearbeta 22 24
Hur mönsterkort tillverkas Industriell tillverkning av mönsterkort (2-lager) Fräs bort koppar för att få lämpligt ledarmönster Liknar hobbytillverkning, men med fler steg och ett laminat med tunnare kopparfolie (så kallad baskoppar) Kopparlaminat borras och spår fräses för att få ledningsbanor Steg 1: Borrning Både hål för komponenter, via, och styrhål Inga genompläterade hål Steg 2: Hålplätering Hobbytillverkning med etsning (enstaka kort) Belägg insidan i hålen med ett tunt lager koppar Färdigt laminat (enkelt eller dubbelsidigt) Steg 3: Lägg på fotoresist Applicera ledningsmönster, t ex med gnuggsymboler, tejp eller färg Ljuskänslig lack som kan härdas av UV-ljus Alternativt använd fotoresist för att överföra mönster som skyddar ledningsmönstret på laminatet Steg 4: Överför en kopia av ledningsmönstret på fotoresisten genom att belysa fotoresisten genom en fotoplottad film Etsa bort oönskad koppar (järnklorid, väteperoxid, syra...) 25 27 Industriell tillverkning av mönsterkort Industriell tillverkning, forts. Standardiserat format för definition av mönsterkortslayout Steg 5: Framkalla fotoresisten (tvätta bort exponerad fotoresist) Beskrivning av ledningsmönster på de olika lagren Negativt mönster finns kvar på laminatet. Exponerat är ytor som ska få tjockare kopparbanor Beskrivning av borrning och fräsningsmönster Steg 6: Elektronlytisk plätering Vanligt format: Gerber Laminat placeras i bad med kopparjoner, ström får koppar att fällas ut på exponerade ytor ASCII (text) format med X och Y koordinater beskrivande utseende Mått anges oftast i mil (tusendels tum = 0.0254 millimeter) Lika mycket koppar fälls ofta ut som redan sitter på laminatet (totalt 35 um tjockt) Mönsterkort tillverkas utgående från stora paneler som delas upp efter tillverkning i mindre mönsterkort Steg 7: Elektrolytisk applicering av ett tunt tennlager Kombinera flera små eller duplicera samma kort på varje panel Skyddar önskat mönster mot etsning i efterföljande steg Steg 8: Ta bort fotoresist, etsa bort oönskad baskoppar 26 28
Industriell tillverkning, forts. Test av kort Steg 9: Ta bort tennlagret Optisk verifiering Kan göras vid flera av stegen (inte enbart efter sista) Steg 10: Lägg på lödmask Elektrisk verifiering Lack som skyddar kopparbanor Hål i masken där lödning ska ske Bed of nails (fjäderbelastade nålar trycks mot mönsterkortet) Ofta en grön lack som klarar höga temperaturer Testa kortet Hög spänning (~300V) för att kolla isolationsavstånd Steg 11: Komponentplaceringstryck Röntgenavsyning av flerlagerskort Hjälp vid montering Se inuti kortet Verifiera innerlagrens utseende/placering Kan även kontrollera ledningstjocklekar etc. 29 Industriell tillverkning av flerlagerskort (> 2 lager) 31 För mer information om mönsterkort Ett eller flera dubbelsidiga kort tillverkas Mönsterkort : från CAD till kort, Korten lamineras tillsammans med bindark (prepreg) av expoxiindränkt glasfiberväv Esbjörn Johansson 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 32
Tillbaks till designflödet Ultiboard Beskriv funktion hos subsystem, inklusive krav Indata: nätlista med komponentdefintioner Vilka komponenter och hur de ska kopplas ihop Välj kretsstruktur för att implementera funktion Process för skapande av mönsterkortsdesign Beräkna komponentvärden Välj komponenter från bibliotek av tillgängliga komponenter (både elektriska och mekaniska egenskaper) Definiera mönsterkortets antal lager och storlek Verifiera mha simulering att det fungerar Placera komponenter på lämpligt sätt Skapa mönsterkort Koppla ihop anslutningarna på komponenterna mha ledare Simulera/verifiera Kontrollera att inga ledare kortslutits eller glömts bort Placera eventuella andra begränsingar, tex hål Exportera design till lämpligt format för tillverkning Montera Mät 33 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