Методологические основы автоматизации контрукторско-технологического проектирования гибких многослойных печатных плат

Москва
Горячая линия – Телеком
2014

УДК 621.3.049.75:658.512.011.56 
ББК 32.973.26 
     М94 
 
Р е ц е н з е н т ы :  доктор техн. наук, профессор  Е. А. Саксонов  (Московский институт электроники и математики Высшей школы экономики); 
кандидат техн. наук А. И. Худыш (ООО «СОЛТЭКС-Р», г. Рязань) 

 

Мылов Г.В., Таганов А.И. 
М94         Методологические основы автоматизации конструкторскотехнологического проектирования гибких многослойных печатных плат. – М.: Горячая линия – Телеком, 2014. – 168 с.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0367-8. 
Изложены методологические основы, включающие в себя современную концепцию построения информационного сопровождения стадий жизненного цикла гибких многослойных печатных плат 
(ГМП), основы  анализа и синтеза проектных конструкторскотехнологических решений и информационной поддержки этапов 
автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства изделий ГМП.  
Для специалистов, будет полезна аспирантам и студентам. 
ББК 32.973.26 
 
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9912-0367-8                © Г. В. Мылов, А. И. Таганов, 2013, 2014 
  
 
              © НТИ «Горячая линия – Телеком», 2014 

 
 
Введение 

В создании современных высоконадежных и технологичных 
электронных устройств отрасли авиационного приборостроения 
(авионики) широко применяются перспективные устройства электронной коммутации в виде постоянно обновляющейся номенклатуры высокотехнологичных гибких многослойных печатных 
плат (ГМП), в проектировании и производстве которых широко 
используются средства автоматизации. При этом уникальные 
технические и конструктивные характеристики ГМП не позволяют 
типовым системам автоматизированного проектирования (САПР) 
печатных плат (ПП) решать в автоматизированном режиме полный 
комплекс задач на этапах конструкторско-технологического проектирования и технологической подготовки автоматизированного 
производства этих изделий. Необходима модернизация и адаптация 
возможностей существующих САПР ПП под постоянно совершенствующиеся конструкции и технологии производства ГМП на 
основе разработки новых моделей и методов синтеза и анализа 
проектных конструкторско-технологических решений в САПР и 
автоматизированных систем технологической подготовки производства (АСТПП) гибких печатных плат. 
Другой важной наблюдаемой особенностью, присущей современному этапу развития отрасли авиационного приборостроения, 
является отраслевая специализация, согласно которой создаются 
предприятия с интегрированной распределенной (виртуальной) 
структурой, специализирующиеся на конструкторско-технологическом проектировании и производстве ГМП под заказ. Это 
позволяет сконцентрировать усилия и средства в рамках интегрированной структуры по созданию современного автоматизированного программно-технического комплекса, обеспечивающего 
информационную и инструментальную поддержку всех этапов 
жизненного цикла (ЖЦ) ГМП с гибкой настройкой технологий на 
новые конструктивно-технологические решения в автоматизированном производстве многослойных печатных плат (МПП). 
В связи с указанными обстоятельствами рассматриваемая в монографии тема является весьма важной. Здесь рассматриваются задачи как на системном уровне в направлении разработки 
концепции построения интегрированной информационной среды 
для всех участников ЖЦ ГМП на основе принципов инфор

Введение 
 

4

мационной поддержки жизненного цикла изделий ИПИ (CALS)методологии, так и на прикладном уровне, где рассматриваются 
задачи моделирования и исследования конструкторско-технологических процессов ГМП. 

 

Г л а в а  1 

АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ, МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИЙ 

АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА 

ГИБКИХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ АВИОНИКИ 

1.1. Тенденции развития  
электромонтажных конструкций авионики 

В настоящее время индустрия микроэлектронных компонентов авионики развивается огромными темпами в направлении 
увеличения производительности и функциональности, при этом 
размеры самих компонентов год от года уменьшаются. Увеличение 
интеграции микросхем побуждает к поиску новых конструкторских 
решений в их компоновке и к увеличению плотности выводов на 
корпусе. Производство же электронной аппаратуры авионики, и в 
частности монтажных подложек, неизбежно будет следовать за 
развитием элементной базы. Это значит, что все конструктивнотехнологические нормы проектирования межсоединений вынуждены развиваться параллельно и теми же темпами, что и микроэлектроника, поскольку это диктуется в первую очередь конструкциями корпусов электронных компонентов.  
Развитие современной электроники заключается в стремлении 
к уменьшению размеров, увеличению быстродействия и массовости производства и этой тенденции развитие электроники будет 
следовать постоянно [1]. Так Гордон Мур (Gordon Moore), являющийся одним из основателей компании Intel, установил, что плотность логических элементов микросхем удваивается каждые 18 месяцев. На основании этой закономерности в 1965 году он предрекал, что через 10 лет плотность составит 65 тыс. компонентов на 
кристалле, что и произошло [2]. Эта тенденция действует до сих 
пор и называется Законом Мура [3] (рис. 1.1). По оценке самого 
Гордона Мура, подтвержденной им в 2007 году, эта тенденция 
будет состоятельна ещё 10-15 лет [4]. 
Однако вопрос: «обязательно ли рост интеграции должен 
сопровождаться ростом количества и плотности межсоединений?» 
– до сих пор не имеет однозначного ответа. На это существуют две 
диаметрально противоположных точки зрения. Одна состоит в том, 

Глава 1 
 

6

что по мере увеличения количества логических элементов на 
кристалле, можно сосредоточить на нем все необходимые функции, 
и выходы (выводы) из такой системы будут носить характер связи 
с оператором или датчиками, т.е. их будет мало. Вторая точка 
зрения основывается на многолетней статистике, которая говорит о 
том, что вместе с повышением плотности активных элементов на 
кристалле увеличивается и количество выводов корпуса микросхем. Казалось бы, с увеличением интеграции микросхем количество внешних межсоединений и, соответственно, выводов должно 
уменьшаться. Однако, выведенное инженером фирмы IBM Рентом 
правило (эмпирическое соотношение Рента), до сих пор справедливо для развивающейся элементной базы [5]: 

 
R
N
k
n


, 
 
где n – количество выводов микросхемы, k – среднее число 
межсоединений, приходящихся на один логический элемент 
микросхемы, N – количество логических элементов, R – соотношение Рента [6]. 
На основе этого правила создано большое число эмпирических соотношений Рента, в которых коэффициенты k  и R  
находятся в широком диапазоне значений. В большинстве случаев 
в 60–70-х годах диапазон значений обычно составлял [7]: k = 3…5; 
R = 0,5...0,75. В 80-е годы большей популярностью пользовались 
диапазоны значений, составляющие: k  = 2,5…3,5 и R  = 0,5…0,75. 
Существенные 
изменения 
претерпели 
они 
в 
конце 
80-х: 
k = 1,3…4,5 и R = 0,4...0,6. А в зарубежных публикациях начала  
90-х годов, значения коэффициентов вписываются в огромные 
диапазоны [8], а именно: k  = 0,5…82 и R  = 0,25...0,92. 
Растущие конструктивно-технологические требования к печатному монтажу особенно четко установились в области вычислительной и авиационной техники, поскольку увеличение производительности, наряду с увеличением быстродействия элементной 
базы, находится в непосредственной зависимости от возможностей 
сокращения длины связей между логическими элементами, так 
называемой конструктивной задержки передаваемого сигнала. Достаточно сопоставить значение времени переключения логических 
элементов, не превышающее в современных ИС, СИС и БИС 

Анализ тенденций, методов и технологий автоматизации процессов  
жизненного цикла гибких печатных плат авионики  

7

единиц наносекунд, с временем распространения сигнала в 
печатных линиях связи, составляющем 6-7 нс/м, чтобы показать, 
что главной составляющей временных задержек в электронных 
устройствах современного и перспективного типов являются задержки сигналов в линиях связи. Отсюда следует, что повышение 
быстродействия логических элементов должно сопровождаться 
максимально возможным снижением задержек в межсоединениях, 
т.е. сокращением их длины. Это достигается повышением степени 
интеграции логических элементов, более плотной компоновкой 
микросхем на платах за счет увеличения плотности межсоединений 
и сокращения длин линий связи, что ставит новые требования к 
САПР конструкторско-технологического проектирования [9]. 

 
Рис.  1.1.  Закон Мура 

Количество элементов межсоединений в плате сегодня достигло такого уровня, что для их топологического проектирования 
неизбежно привлекаются системы автоматизированного проектирования. Без привлечения САПР и современных конструктивно

Глава 1 
 

8

технологических норм проектирования создание монтажных 
структур межсоединений современной микроэлектронной базы 
авионики становится немыслимым. 
Увеличение плотности монтажа и размеров монтажных 
подложек неизбежно приводит к необходимости увеличения 
плотности межсоединений:  
 
С
P
q N R L




, 
 

где 
С
P  – плотность соединений в монтажной подложке, N  – степень интеграции микросхемы, R  – показатель Рента, L  – линейный размер монтажной подложки, q  – коэффициент, учитывающий связность элементов, эффективность использования 
площади подложек, совершенство системы проектирования топологии межсоединений [10]. 
Удовлетворение всего комплекса требований к системе межсоединений высокопроизводительных электронных средств авионики связано, прежде всего, с использованием многослойных печатных плат (МПП) и гибких печатных плат (ГП), позволяющих 
увеличить плотность компоновки интегральных микросхем за счет 
специализации слоев в трехмерной многослойной структуре, значительно сократить длины межэлементных связей, сформировать 
согласованные линии передачи и тем самым улучшить временные 
характеристики распространения сигналов в трассах межсоединений [11]. При этом гибкие многослойные платы (ГМП) по своим 
тактико-техническим параметрам начинают вытеснять МПП из 
современных конструкций электроники, эксплуатируемой в жестких условиях внешних воздействий, что характерно для изделий 
авиационной техники. Рассмотрим особенности конструктивного 
построения гибких плат и отметим их особенности. 

1.2. Конструктивные особенности гибких плат 

По определению гибкие платы представляют собой однослойные, двуслойные и многослойные печатные платы, обладающие свойством изменять свою геометрию в заданных пределах 
при сохранении своих конструктивных и функциональных свойств. 
Гибкие платы разнообразны в своем конструктивном построении и 
могут быть классифицированы на следующие виды: 

Анализ тенденций, методов и технологий автоматизации процессов  
жизненного цикла гибких печатных плат авионики  

9

1) однослойные ГП; 
2) многослойные ГП; 
3) гибкие кабели; 
4) комбинированные гибко-жесткие платы. 
Существующая тенденция к дальнейшему расширению использования ГП обусловливается большими преимуществами, которые они создают в технике межсоединений изделий авионики. 
Сейчас они также стали очень привлекательным способом межсоединений в современном мире компоновок электронной аппаратуры самого различного назначения. Гибкие платы используются 
в различных отраслях приборостроения: автомобильной электронике (приборные панели, ABS-системы, схемы управления); компьютерной технике и внешних устройствах (дисководы, точечные 
матричные печатающие головки, шлейфы головок принтера); медицине (слуховые аппараты, дефибрилляторы, кардиологические устройства); военной и космической аппаратуре (спутники, приборные 
панели, плазменные дисплеи, средства управления, радарные системы, системы ночного видения, тяжелое вооружение, системы 
наблюдения и т.д.) [12].  

1.2.1. Преимущества и достоинства гибких печатных плат 

Существует много причин использования гибких плат в качестве средства межсоединений в электронных устройствах авионики. В некоторых случаях, когда необходима устойчивость гибких плат к динамическим нагрузкам, использование гибких плат 
очевидно. По крайней мере, в этом они не имеют альтернатив. 
Намного больше других областей использования гибких плат, когда они помогают решить трудные проблемы уплотнения компоновки аппаратуры авионики [12]. Следует отметить эти преимущества ГМП. 

1.2.1.1. Уменьшение габаритов 

Гибкие платы используют самое тонкое диэлектрическое 
основание из всех доступных сегодня материалов, предназначенных для создания межсоединений. В некоторых случаях из этих 
материалов можно изготовить гибкие платы, имеющие полную 
толщину меньше 50 мкм, включая защитный слой. Для справки, 
жесткие монтажные подложки с той же функциональностью 

Глава 1 
 

10

оказываются в два раза толще. Мало того, что малая толщина 
гибких плат привлекательна сама по себе, возможность ее 
складывать за счет гибкости также дает возможность сокращать 
объемы и габариты электронных устройств 

1.2.1.2. Уменьшение массы 

Дополнительное преимущество малой толщины гибких плат – 
малая масса. Если гибкие платы не закрепляются на твердой 
подложке, они сами по себе легче аналогичных жестких плат на 75%. 
Малая масса межсоединений, реализуемая гибкими платами, 
оказалась настолько востребована в аэрокосмической аппаратуре, 
что эта область их использования стала конкурировать по объемам 
производства с портативной электроникой. 

1.2.1.3. Уменьшение времени и стоимости сборки 

Гибкие платы олицетворяют простую и быструю технологию 
межсоединений узлов и блоков электронной аппаратуры авионики. 
Альтернатива гибким платам – проводной монтаж  и гибкие кабели 
связаны с необходимостью прокладки проводов по намеченным 
трассам соединений и их закрепления, зачистки и пайки каждого 
провода по отдельности. Жгутовый проводной монтаж требует еще 
и дополнительных трудозатрат на обозначение адресов связей.  
Гибкие платы дают возможность использования групповых 
методов сборки и монтажа изделий. Кроме того, само их изготовление намного дешевле за счет использования групповых 
технологий изготовления и маркировки.  

1.2.1.4.  Уменьшение ошибок сборки 

В то время как проводной монтаж неизбежно связан с человеческим фактором – источником ошибок, гибкие платы не имеют 
источников ошибок человеческой природы. Ручной монтаж – 
постоянный риск возникновения ошибок.  
Гибкие платы проектируются в составе системы межсоединений и затем воспроизводятся машинными методами, предотвращающими ошибки человеческого фактора. В результате, за 
исключением неизбежных ошибок производства, гибкими платами 
невозможно осуществить соединения, не соответствующие спроектированной схеме [13].