Na FEL ČVUT v Praze vzniká Laboratoř pro vývoj a realizaci vzorků

Následující příspěvek volně navazuje na článek Prof. Miloše Klímy a kol. uveřejněný v prvním čísle tohoto časopisu. Článek se zabýval současností a budoucností výuky elektroniky na Elektrotechnické fakultě ČVUT v Praze.

Na počátku roku 2010 bylo na elektrotechnické fakultě ČVUT v Praze zahájeno budování laboratoří, jejichž hlavním úkolem bude podpora vědecko-výzkumné, vývojové a pedagogické činnosti na ČVUT i dalších školách v oblasti vývoje a výroby vzorků, prototypů a malých sérií elektronických zařízení. Další oblastí činnosti laboratoří bude poskytování služeb v uvedené oblasti také průmyslovým podnikům a ostatním firmám, které potřebují pro svou činnost vyvíjet nová elektronická zařízení, ale z různých důvodů nemohou vývoj zajišťovat vlastními prostředky, popřípadě hledají spolupráci v některých specifických oblastech vývojových a výrobních technologií. Zároveň by laboratoře měly poskytnout začátečníkům i pokročilým studentům – vývojářům v oblasti vývoje elektronických zařízení a výrobních technologií potřebné vývojové nástroje a výrobní zařízení pro jejich teoretickou, praktickou a experimentální činnost.

V současné době jsou laboratoře budovány ve dvou oblastech. První částí je učebna vybavená vývojovými prostředky a výrobními i testovacími zařízeními potřebnými pro praktickou činnost studentů. Je určena především těm studentům, kteří se seznamují se základními postupy a technologiemi návrhu, výroby a testování desek plošných spojů za využití technologie plošné montáže. Vybavení studentům dovoluje jednotlivé etapy vývoje a výroby prakticky realizovat.

Druhou částí jsou prostory vybavené vývojovými prostředky a technologickými zařízeními dovolujícími profesionální návrh vícevrstvých desek plošných spojů, elektronických zařízení a jejich realizaci v požadované průmyslové kvalitě.

Laboratoř pro studenty a její vybavení

Studentská část laboratoří je umístěna v prostorách katedry elektrotechnologie. Tato laboratoř je vybavena tak, aby studenti mohli samostatně navrhovat, vyrábět, testovat a opravovat desky plošných spojů osazené i moderními součástkami o ekvivalentních rozměrech 0402, včetně součástek, které nelze pájet ručně (např. v pouzdrech BGA). Maximální uvažované rozměry desek plošných spojů jsou cca 200 mm × 200 mm.

Pořízení potřebných vývojových prostředků a technologických zařízení je financováno z prostředků Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci Rozvojového programu na rok 2010 č. 4/36 – Prototypové pracoviště.

Z prostředků uvedeného projektu byly do konce září letošního roku zajištěny následující vývojové prostředky a výrobní zařízení:

• CAD SW pro návrh zapojení a spojů DPS (EDU licence programů Eagle a OrCAD) a pro návrh mechanických dílů a sestav (EDU licence programu AutoCAD),
• vývojové prostředky pro vývoj programů pro procesory typu ARM, x51 apod. (licence vývojového prostředí KEIL a IAR, vývojové kity pro vybrané typy procesorů),
• 3 ks PC s nainstalovaným uvedeným CAD SW a vývojovými prostředími,
• dávkovač pájecí pasty a SMT osazovací manipulátor s kamerou,
• pec pro pájení v parách a pec pro pájení horkým vzduchem,
• sítotiskové zařízení pro nanášení pasty a lepidla,
• zařízení pro výrobu jednoduchých šablon,
• 3D měřicí optický systém se SW pro měření geometrických tvarů a rozpoznávání hran objektů,
• sestava měřicích přístrojů pro elektrické testování funkce do cca 100 MHz,
• poloautomatická opravárenská stanice na BGA s videosystémem,
• zařízení pro ruční pájení a pro ruční opravy,
• vybrané typy součástek.

Laboratoř pro profesionální vývoj, výrobu a diagnostiku

Tato část Laboratoří by se měla postupně stát určitým centrem úzké spolupráce mezi akademickými pracovníky s hlubokými teoretickými znalostmi z oblasti součástek, obvodů, systémů a technologií a mezi odborníky z praxe, kteří řeší konkrétní problémy při vývoji a implementaci nejmodernějších součástek a technologií a při profesionální výrobě elektronických zařízení a systémů.

Laboratoře jsou budovány v hlavní budově elektrotechnické fakulty v Technické ulici v Praze-Dejvicích. Pro svou činnost mají k dispozici prostory o celkové ploše cca 180 m2. Prostory byly stavebně upraveny především v části výrobních procesů, kde byly doplněny technologií nezbytnou pro zajištění požadovaných parametrů z hlediska čistoty (klimatizace a filtrace vzduchu, vstupní prostor oddělující vstup z chodby od „čistých“ prostor) a ochrany proti elektrostatické energii. Uvedené prostory budou postupně vybaveny nejnutnější technikou a vývojovými prostředky nutnými pro kompletní vývoj desek plošných spojů a sestav elektronických zařízení, pro výrobu vzorků vyvíjených zařízení i pro jejich testování a diagnostiku.

Základní vybavení laboratoří i jejich stavební úpravy uvedené výše jsou financovány z Evropského fondu pro regionální rozvoj (ERDF) v rámci Operačního programu Praha – Konkurenceschopnost (OPPK) v oblasti podpory Rozvoj inovačního prostředí a partnerství mezi základnou výzkumu a vývoje a praxí.

Na realizaci projektu s názvem Nákup přístrojů a vybavení umožňující profesionální návrh, výrobu a diagnostiku funkčních vzorků v oblasti elektroniky a elektrotechniky byla z prostředků ERDF uvolněna částka téměř 41,5 mil. Kč. Tato částka byla doplněna vlastními finančními prostředky školy v objemu více jak 7,5 mil. Kč. Realizace projektu probíhá od ledna 2010 a jeho dokončení je plánováno na duben 2011.

Zajištění plánovaného vybavení probíhá, ve shodě s harmonogramem projektu, v několika etapách v rámci výběrových řízení organizovaných ve shodě se Zákonem o veřejných zakázkách.

V průběhu realizační fáze Projektu bude nakoupeno následující technologické vybavení:

Vývojové prostředky

• CAD SW (Mentor Graphics, OrCAD) pro elektronický vývoj desek plošných spojů s podporou vysokofrekvenčních a teplotních simulací, s některými dalšími speciálními návrhovými moduly a s technologickými výstupy pro výrobu desek a pro řízení automatických výrobních a testovacích zařízení,
• CAD SW pro mechanickou konstrukci (2D/3D),
• prostředky pro vývoj programů (integrovaná vývojová prostředí) vybraných řad programovatelných obvodů (CPLD, FPGA), mikroprocesorů (řady 51, ARM, Freescale, MSP430) a obvodů s JTAG interfejsem,
• vývojové prostředí pro vývoj SW aplikací v C/C++,

Zařízení pro výrobu

• vybavení skladu pro uložení součástek, vyrobených polotovarů a sítotiskových šablon,
• lednička pro uložení pájecích past, lepidel a ostatních materiálů s teplotně závislou životností,
• vysoušecí skříň pro odstranění vlhkosti součástek před osazováním,
• soubor zařízení pro automatické osazování desek SMT technologií (nejmodernějšími SMD součástkami o ekvivalentní velikosti 0201, výhledově 01005),
• sítotisk a dispenzer pro nanášení pájecí pasty, popř. lepidla,
• automat na osazování součástek na desky plošného spoje,
• zařízení pro pájení osazených desek v parách,
• mycí zařízení pro osazené desky a použité sítotiskové šablony,
• poloautomatické pracoviště pro opravy desek a pro výměnu součástek na desce,
• pracoviště pro ruční výrobu (nanášení pájecí pasty a lepidla, ruční pájení) a opravy (odpájení součástek) s lokálním odsáváním pájecích zplodin.

Zařízení pro diagnostiku, testování a měření

• rentgenový tester kvality výroby (obvody, desky, spoje, pájené body…) s velkým rozlišením (min. 3 mikrometry) a s doplněním HW a SW doplňky pro kvalitní 3D zobrazení (např. na principu počítačové tomografie),
• automatické pracoviště pro optickou kontrolu v procesu výroby (úplnost a správnost osazení, kvalita pájení…),
• lupa s velkým zvětšením s výstupem optického signálu na počítač a jeho případným dalším zpracováním speciálním SW,
• lupa se zvětšením vhodným pro běžnou optickou kontrolu kvality pájení,
• základní pracoviště vybavená elektronickými měřicími přístroji pro elektrickou funkční kontrolu vyráběných desek a zařízení.

Ostatní zařízení a vybavení

• pracovní místa pro vývojáře i pracovníky výroby a diagnostiky vybavená kancelářským (popř. antistatickým) nábytkem,
• prostředky výpočetní techniky – aplikační a datové servery, pracovní a grafické PC stanice, plotter A0, laserové tiskárny,
• informační systém pro řízení procesů a ukládání dat potřebných pro vývoj, výrobu a vývojové projekty.

Oblasti odborné činnosti Laboratoří

Výše uvedené vybavení zajišťuje základní podmínky pro činnost Laboratoří v řadě oblastí vývoje a realizace. Další podmínkou pro zajištění úspěšného provozu a dalšího rozvoje laboratoří bude, kromě zajištění spolupráce s potenciálními interními a externími zákazníky, postupné zajištění kmenových pracovníků Laboratoře s nadprůměrnými teoretickými a praktickými zkušenostmi v dále uvedených oblastech. Předpokládáme, že kromě pracovníků střediska budou, na základě dohod, na zakázkách pracovat i externí pracovníci, specialisté v potřebné specializaci či oblasti.

Laboratoře budou nabízet služby v následujících činnostech:

Vývoj

• systémové řešení a technická specifikace vyvíjeného zařízení,
• vývoj zapojení elektronických desek, optimalizace jejich návrhů,
• návrh obrazce i vícevrstvých desek plošného spoje,
• konstrukce mechanických dílů a sestav,
• konstrukce elektronických zařízení s využitím vyvinutých desek, mechanických dílů a nakupovaných materiálů, modulů a desek od jiných výrobců,
• vývoj FW a SW pro vyvinutý HW.

Výroba

• výroba desek a zařízení s využitím SMT technologie (nanášení pájecí pasty a lepidla, osazování SMD součástek, pájení a mytí desek),
• provádění oprav, výměna vadných součástek,
• nákup a skladování součástek, jejich technologická příprava před zakládáním (vysoušení),

Mezioperační kontrola, testování, měření a diagnostika

• elektrická funkční kontrola desek, zařízení a sestav,
• optická kontrola (klasická, automatická),
• rentgenová kontrola kvality pájení (ve 3D zobrazení s vysokou citlivostí).

Spolupráce se zákazníky

V dokumentech Projektu jsou deklarovány následující skupiny zákazníků:

• elektrotechnická fakulta ČVUT v Praze,
• ostatní fakulty ČVUT a ostatní školy,
• ostatní externí zákazníci.

Laboratoř bude intenzivně vyhledávat zákazníky, ale i spolupracovníky, ve všech uvedených skupinách tak, aby byly v provozní fázi projektu maximálně využity všechny vývojové a výrobní kapacity získané v průběhu realizační fáze projektu.

Laboratoře budou zákazníkům poskytovat služby a se zákazníky spolupracovat především v následujících oblastech:

• vývojové práce v oblasti elektronických a elektrotechnických systémů, zařízení a jejich podsestav,
• výrobní, opravárenské a diagnostické práce v oblasti zajištění vzorků, prototypů a malých sérií elektronických zařízení (využívajících především SMT technologie),
• komplexní vývojově-výrobní činnosti v oblasti elektronických zařízení (systémové řešení, návrh včetně FW, popř. SW aplikací, výroba a ověření vzorků, funkční testy, opakovaná výroba malých sérií, zajištění dokumentace a materiálu),
• odborná spolupráce s výrobními a obchodními firmami z oblasti elektronických zařízení a součástek, jejich aplikací a diagnostiky,
• přednášková a poradenská činnost v oblasti vývojových, výrobních a diagnostických technologií.

Ve všech výše uvedených oblastech bude snahou nabízet spolupráci především v oblasti nových speciálních technologií na vysoké technické úrovni, které jsou pro řadu subjektů prakticky nedostupné (například CAD SW systém společnosti Mentor Graphics, rentgenový a optický tester, kompletní SMT výrobní linka apod.).

Mediálním partnerem Laboratoře pro vývoj a realizaci vzorků elektronických zařízení je časopis DPS – Plošné spoje od A do Z.