Производство материнских плат

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В конце XX века невозможно представить себе жизнь без персонального  компьютера. Компьютер прочно вошел  в нашу жизнь став главным помощником человека. На сегодняшний день в мире существует множество компьютеров различных фирм, различных групп сложности, назначения и поколений. В данной курсовой работе мы рассмотрим персональные компьютеры (Personal Computer или просто PC), а точнее историю и дальнейшие тенденции развития материнских плат для PC.

Основной частью любой  компьютерной системы является материнская  плата с главным процессором  и поддерживающими его микросхемами. Функционально материнскую плату  можно описать различным образом. Иногда такая плата содержит всю схему компьютера (одноплатные). В противоположность одноплатным, в шиноориентированных компьютерах системная плата реализует схему минимальной конфигурации, остальные функции реализуются с помощью многочисленных дополнительных плат. Все компоненты соединяются шиной. В системной плате нет видеоадаптера, некоторых видов памяти и средств связи с дополнительными устройствами. Эти устройства (платы расширения) добавляются к системной плате путем присоединения к шине расширения, которая является частью системной платы.

Первая материнская  плата была разработана фирмой IBM, и показанная в августе 1981 года (PC-1). В 1983 году появился компьютер с увеличенной системной платой (PC-2). Максимум, что могла поддерживать PC-1 без использования плат расширения — 64 Кб памяти. PC-2 имела уже 256 Кб, но наиболее важное различие заключалось в программировании двух плат. Системная плата PC-1 не могла без корректировки поддерживать наиболее мощные устройства расширения, таких, как жесткий диск и улучшенные видеоадаптеры.

1. Материнская плата

Материнская плата — это основной компонент каждого компьютера, которая управляет как и внутренними устройствами, так и внешними. От ее работы зависит стабильность всего компьютера в целом. Тип установленной материнской платы определяет общую производительность, а так же модернизацию ее.

На материнских  платах размещены все основные элементы ПК. Линии их соединения и разъемы  для подключения внешних устройств:

1)  Разъем для процессора типа Socket.

2)  Разъемы (слоты) для установки модулей оперативной памяти

3)  Слоты для установки карт расширения ( видео, звуковая, сетевая карты)

4)  Разъем для подключения накопителей данных (ATA, SATA)

5)  Разъемы для подключения внешней периферии

6)  Набор чипсетов для обмена данными между всеми компонентами ПК.

Мостов у  МП всегда два: Северный и южный мост

Северный мост — его функции заключаются в обеспечение взаимодействия процессора, ОЗУ и видеоадаптера.

Южный мост — его функции в обеспечение взаимодействие шин ввода-вывода с центральным процессором и оперативной памятью (рисунок 1).

Рисунок 1 —  материнская плата

Оба моста могут  быть выполнены на одном чипе или  на двух.

Все компоненты МП связаны друг с другом системой проводников, по которой происходит обмен информации между устройствами (шинами).

Информационные  магистрали, которые связывают воедино  компоненты и устройства ПК называются шины. Шина может представлять собой  набор проводящих линий вытравленных на печатной плате; скрутки проводов; шлейфы (тот же кабель, только плоский). Шина предназначена для обмена информацией между двумя и более устройствами и центральным процессором. Шина связывающая только два устройства называется портом. Исключение это PСI шина – ее портом не назовешь.

По функциям шины различаются:

1)  Системные шины (шины центрального процессора) предназначена для пересылки информации от процессора и обратно.

2)  Шина памяти предназначена для обмена информации ЦП и оперативной памятью.

3)  Шина ввода-вывода предназначена для обмена информацией периферийных устройств с ЦП.

Каждая шина имеет свою собственную архитектуру. При этом включает следующие компоненты (линии):

1)  Каналы для обмена данными;

2)  Шины адреса (каналы для передачи адресов данных);

3)  Шины управления (передает служебные команды управления данными)

Форм-фактор материнской  платы — стандарт, определяющий размеры материнской платы для  персонального компьютера, места  ее крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода/вывода, сокета центрального процессора (если он есть) и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания.

Форм-фактор (как  и любые другие стандарты) носит  рекомендательный характер. Спецификация форм-фактора определяет обязательные и опциональные компоненты. Однако подавляющее большинство производителей предпочитают соблюдать спецификацию, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость материнской платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт расширения) других производителей.

Устаревшие: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата AT; LPX.

Современные: АТХ; microATX; Flex-АТХ; NLX; WTX, CEB.

Внедряемые: Mini-ITX и Nano-ITX; Pico-ITX; BTX, MicroBTX и PicoBTX.

Существуют  материнские платы, не соответствующие  никаким из существующих форм-факторов. Обычно это обусловлено либо тем, что производимый компьютер узкоспециализирован, либо желанием производителя материнской платы самостоятельно производить и периферийные устройства к ней, либо невозможностью использования стандартных компонентов (так называемый «бренд», например Apple Computer, Commodore, Silicon Graphics, Hewlett Packard, Compaq чаще других игнорировали стандарты; кроме того в нынешнем виде распределённый рынок производства сформировался только к 1987 году, когда многие производители уже создали собственные платформы).

Наиболее известными производителями материнских плат на российском рынке в настоящее  время являются фирмы Asus, Gigabyte, MSI, Intel, Elitegroup, AsRock. Ранее большой известностью пользовались платы фирм Abit и Epox. На сегодня обе фирмы прекратили выпуск материнских плат. Из российских производителей материнских плат можно упомянуть только компанию Формоза, которая производила платы, используя компоненты фирм Lucky Star и Albatron. Из украинских — корпорацию «Квазар-Микро».

2. Начальные стадии производства

Материнские платы, являющиеся важнейшими компонентами современных  компьютеров и работающие на высоких  частотах, требуют особых условий  производства, обеспечиваемых на специальных  заводах

Эра электронных  вычислительных машин насчитывает всего несколько десятков лет. За столь короткое по историческим меркам время сменилось уже несколько поколений компьютерных устройств. Представленные в первые годы ламповыми монстрами они быстро набирали вычислительную мощь за счет совершенствования элементной базы и архитектуры. Но настоящий прорыв наступил только после полупроводниковой революции, обеспечившей появление сравнительно сложных микросхем, например таких как микропроцессоры. Именно это позволило создать настольные компьютеры.

Первые модели состояли из огромного числа разных элементов, расположенных на сравнительно большом числе плат, соединенных кабелями. Это негативно отражалось не только на надежности, но и на себестоимости компьютеров. Решая эти проблемы, конструкторы постепенно пришли к варианту, предусматривающему одну большую плату к которой подключается относительно несложные карты расширения, а также ряд внешних компонентов компьютера. Такая плата, ставшая центральным, объединяющим элементом, получила специальное наименование: материнская плата.

• Центральный компонент

В настоящее  время материнские платы являются наиболее важной и, пожалуй, наиболее сложной  частью современного компьютера. Эти  платы несут на себе большинство  полупроводниковых элементов, реализующих  основные контроллеры большинства внутренних и внешних интерфейсов. В дополнение к этому, материнские платы являются своеобразными центрами, осуществляющими электрические и логические связи с остальными компонентами. К таким компонентам относятся центральные процессоры, модули оперативной памяти, видеоадаптеры, жесткие диски, а также периферийные устройства.

Для осуществления  связи с компьютерными компонентами и периферийными устройствами в  архитектуру материнских плат интегрированы  соответствующие разъемы и специальные  электронные цепи.

2. Проблемы архитектуры

Работа интегрированных  в архитектуру современных материнских  плат элементов, как и  перечисленных важнейших компонентов, осуществляется на очень высоких частотах.

Это обеспечивает высокую  производительность, однако накладывает и особые, довольно жесткие требование на архитектуру материнских плат. Прежде всего это относится к топологии расположения электронных элементов и их многочисленных соединений. Особо затейливые рисунки соединений в области видеоадаптера, модулей памяти и процессорной шины (Рисунок 2).

Рисунок 2 —  Пример рисунка соединительных линий на материнской плате

Используемые в архитектуре элементы и линии их соединения образуют чрезвычайно сложную систему, обладающую специфическими электромагнитными параметрами, трудно поддающимися точному анализу.

К сожалению, элементы рисунка  обладают взаимными емкостями и  индуктивностями. Данные паразитные емкости и индуктивности в совокупности с активными составляющими полных сопротивлений проводников играют негативную роль (Рисунок 3). Они искажают формы высокочастных импульсных сигналов, передаваемых по этим проводникам от элементов к элементам.

Рисунок 3 —  Взаимное влияние соединительных линий

Значения частот этих сигналов в ряде случаев достигают  сегодня многих сотен мегагерц. Чтобы в этом убедиться достаточно вспомнить о частотах шин процессора, оперативной памяти, видеоадаптера.

На высоких  частотах каждая микросхема, каждая ее ножка, каждый миллиметр соединяющих  эти микросхемы проводников излучают в окружающее пространство радиоволны. В результате образуются высокочастотные помехи и наводки, влияющие на работу близко расположенных элементов. А еще теряется мощность сигналов, их уровни уменьшаются, форма искажается. Остается отметить, что материнская плата является многослойной, что означает, что проводники расположены в несколько слоев, расположенных в толще платы. Но это означает, что на емкостные и индуктивные параметры влияет еще и состав стеклопластика, из которого состоит материнская плата (Рисунок 4). А этот состав может иметь некоторые флуктуации (случайные отклонения от среднего значения физических величин), что может оказать дополнительное влияние на прохождение сигналов и параметры цепей материнских плат.  

Рисунок 4 — Взаимное влияние соединительных линий с учетом материала платы.

В случае сильных  искажений, усиливаемых внешними помехами, компьютерным подсистемам приходится повторять передачу информации, что самым негативным образом влияет на общую производительность компьютера.

Минимизировать указанные  негативные факторы и добиться устойчивой и производительной работы компьютеров  благодаря высокому качеству исполнения материнских плат. Некоторые особенности их производства приведены в следующих частях данной статьи.

3. Выпуск материнских плат

Итак, искажения высокочастотных сигналов в материнских платах тесно связаны с потерями, вызванными взаимным влиянием элементов и линий передачи сигналов, комплексным характером нагрузок, излучением энергии сигналов в окружающее пространство и т.п.

Минимизация негативного  влияния осуществляется за счет высокого качества исполнения самих плат. Работоспособность  данных плат определяется референс-дизайном, представляющим тщательно рассчитанный эталон. Требования на расположение контактных площадок микросхем и рисунка межсоединений очень жесткие. Так например, допуски на следование референс-дизайну в ряде случаев измеряются микронами. При этом учитывается не только рисунок, но и расположение отверстий, служащих соединительными мостиками между проводниками разных слоев печатной платы. А это требует особо жестких, качественных условий производства.

Выполнить все эти требования настолько сложно, что иногда вызывает удивление сама возможность выпуска подобной продукции, да еще и массовыми тиражами по вполне умеренным ценам. Это становится еще более удивительным, если учитывать, что перечислены далеко не все проблемы, встающие перед дизайнерами, конструкторами и технологами.

• Завод материнских плат

Следует отметить, что все сказанное выше приведено  только для иллюстрации сложности  и ответственности современного производства материнских плат. В  свете этого совсем иначе воспринимается экскурсия, которую для ряда специалистов и журналистов устроила компания Gigabyte на одно из своих предприятий в Нан-Пинге (Nan-Ping). Экскурсия состоялась в рамках мероприятий Computex-2008 на Тайване.

Данный завод  расположен в пригороде Тайбэя в  местности Нан-Пинг (Nan-Ping), в большом, многоэтажном здании (Фотография 1). На нескольких этажах данного предприятия большое количество людей и специальных механизмов занимаются производством материнских плат (а также видеокарт и мобильных телефонов).

Мощность завода в Нан-Пинге составляет 400 000 экземпляров материнских плат в месяц. 

Фотография 1 — Завод  Gigabyte

Производство  является особо точным, поэтому везде  предприняты особые меры по очистке  воздуха и по борьбе с возможной  пылью, представляющей опасность для  оборудования и изделий. Так, например, прежде чем получить доступ во внутрь сборочного цеха, каждый сотрудник или возможный сторонний посетитель должен пройти специальный шлюз (Фотография  2), где сильный воздушный поток сдует с одежды мельчайшие частицы пыли, влияющих не только на производительность, но даже на  работоспособность вообще. Дело в том, что пыль может изменить физические параметры незащищенных участков поверхности материнских плат. А это негативно отражается на передачах высокочастотных сигналов.

За счет минимизации  в воздухе и на одежде сотрудников  числа инородных частиц, которые  могут нарушить работоспособность  изделий, удается существенно снизить   процент возможного брака. Несмотря на то, что этот процент очень мал, в условиях выпуска сотен тысяч изделий подобные недешевые меры, вполне оправданы. Именно поэтому руководство завода не экономит на оборудовании, позволяющим минимизировать брак.

Фотография 2 —Воздушные шлюзы

2. Этапы производства

Являясь сложным сборочным производством, завод в Нан- Пинге использует большое количество компонентов, полученных от других предприятий. К числу таких компонентов относятся и сами печатные платы — PCBs (Printed Circuit Boards), представляющие собой пластины, на которые несколькими слоями нанесены токопроводящие линии, соединяющие контактные площадки будущих микросхем и разъемов.

Следует отметить, что большинство производителей материнских плат не производят сами PCB, а размещают заказы у своих партнеров.

Пластины поступают  «совершенно голыми», лишенными  компонентов и даже припоя. Тщательно  упакованные  они поступают на склад, где после тщательной проверки и ряда специальных операций станут основой будущих материнских плат.

«Голые доски» PCB некоторое время хранятся на специальных стеллажах.

По мере необходимости  их извлекают и загружают в  специальный принтер. Там  через специальный никелевый трафарет на поверхность PСB в определенные точки будет нанесен слой паяльной пасты. Обработанные таким образом платы помещаются в специальный контейнер, из которого они будут поступать на автоматическую линию по сборке.

Дальнейшие  этапы производства материнских плат рассмотрены в следующих частях данной статьи.

4. Процессы сборки

В процессе сборки первыми на специально подготовленные печатные платы (PCB) в специальных станках автоматически припаиваются северные и южные мосты чипсетов , микросхемы которых поступают из специальных лент.

После установки на плату главных компонентов добавляются остальные микросхемы и электронные элементы, которые устанавливаются в соответствующих машинах.

Здесь следует  обратить внимание, что электронные  компоненты, предусматривающие поверхностный  монтаж, подаются из рулонов лент (Фотография 4). 

Фотография  4— Рулоны с элементами

Часть таких  рулонов в специальных контейнерах  поступает на завод уже заправленными и хранятся в специальных условиях в отсутствие пыли и влаги. Особенно жесткие условия хранения предназначены для функционально сложных элементов, таких как северные и южные мосты, а также часть контроллеров. Таким дорогостоящим элементам уделяется особое внимание.

Все процессы установки  и пайки микросхем и мелких элементов автоматизированы и практически  не требуют вмешательства людей. Каждый этап управляется встроенными  компьютерами. Результаты работы отображаются на различных мониторах, установленных для контроля операторами (Фотография 5).

Фотография 5— Системы контроля

Несмотря на высокую степень автоматизации, часть операций по установке компонентов осуществляется вручную. К таким компонентам относятся, например, процессорный сокет, разъемы, конденсаторы. Установа этих элементов осуществляется на конвейере. Скорость конвейера доволно высока. Чтобы работник не отвлекался, все необходимые элементы находятся рядом с ним в специальных упаковках. Если же элементы заканчиваются, то специальный человек быстро пополняет запасы, не отрывая работника конвейера. Все направлено на бесперебойную работу конвейера.

Фотография 6— Ручная установка элементов

Дальнейшие  этапы производства материнских  плат рассмотрены в следующей части данной статьи.

5. Завершающие стадии производства материнских плат

Слоты, розетки, соединители и конденсаторы — все, что было установлено на плату по линии ручной сборки, должно быть еще и припаяно. Ручная пайка потребовала бы слишком много времени, так что в производстве используется специальный процесс под названием «пайка волной». Эта операция производится в специальных машинах, где плата с установленными элементами проходит в нескольких миллиметрах над поверхостью расплавленного припоя. Организованная специальными механизмами волна припоя позволяет за пару секунд припаять все установленные детали.

После пайки  плату очищают от остатков припоя и устанавливают съемные элементы — радиаторы, батарейки и т. п.

На этом этапе  плата полностью скомпонована. Но перед отправкой на склад готовой  продукции ее еще необходимо комплексно проверить разными электронными методами. Здесь следует отметить, что для раннего выявления дефектов плата тестируется многократно в автоматическом режиме с помощью различных щупов, сенсоров и компьютеризованных измерительных приборов.

Для выполнения этой операции плата поступает на специальный контрольный участок, где выполняется завершающая серия тестов (Фото 7). С помощью этих тестов выявляются возможные ошибки сборки, а также наличие непропаянных мест. 

Фотография 7— Стенды контроля

На каждую плату  устанавливают процессор, подключают память и жесткий диск, а также  специальную диагностическую карту. Подключение каждой материнской  платы для тестирования занимает всего около минуты.

Как только все  этапы подключения осуществлены, на проверяемую материнскую плату  подается питание и в DOS загружается  тестовая программа. Она позволяет  проверить функционирование каждого  компонента платы, а также ее работу с периферией.

Несмотря на высокое качество работы и многоэтапный контроль, некоторое, крайне малое количество изделий, не удовлетворяет установленным требованиям. Такие платы тщательно анализируются и ремонтируются вручную (Фотография 8), после чего опять подвергаются проверке. И конечно, в случае повторения однотипных дефектов корректируются настройки автоматизированных процессов.

Фотография 8 —  Ручная пайка плат

После всех перечисленных  этапов материнские платы отправляются не на склад, как это можно было бы ожидать, а на стенд стресс-контроля.

На стенде стресс-контроля готовая продукция в специальных стендах подвергается повышенным температурам и вибрациям. В дополнение к этому элементы материнских плат заставляют работать при повышенных напряжениях и частотах. Это не только выявляет дефектные элементы и платы, выпущенные с нарушением технологических условий, но и проверяет возможность работы изделий в режимах разгона.

Работоспособность контролируется специальными наборами тестов, среди которых используются и традиционные,  например, такие как 3D Mark.

Остается добавить, что каждую выпускаемую модель материнских плат проверяют с разными вариантами компьютерных компонентов. Это является очень важным, так как каждая из моделей процессоров, оперативной памяти, видеоадаптеров и жестких дисков обладает своими особенностями. По замыслу конструкторов материнские платы должны всем или, по крайней мере, большинству из них максимально удовлетворять. Это позволяет позиционировать платы в качестве универсальных изделий, которые будут надежно и бесперебойно работать в компьютерах с разными конфигурациями основных компонентов.

Вот только после  всех тестов выдержавшие все испытания  материнские платы считаются  полностью готовыми изделиями. Они  упаковываются в антистатические  пакеты, которые совместно с комплектными принадлежностями запечатывают в яркие коробки.

В дальнейшем коробки  с материнскими платами поступают  на специальный склад, откуда они  отгружаются заказчикам в разных странах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В качестве заключения мне бы хотелось подвести итоги по данной курсовой работе.

На нынешний момент в материнскую плату внедряют контролер HDD и внешние устройства (порты COM и LPT). Архитектура материнской платы видоизменялась с соответствии с микропроцессором. Изменялись шины, увеличивалась их разрядность и пропускная способность. Микропроцессоры нового поколения (4004 — Pentium Pro) отличаются очень весомыми изменениями в данных показателях от предыдущих.

Под материнской  платой понимают нынче только “зеленую”  плату (или green mothrboard). На данный момент, благодаря американскому агентству защиты окружающей среды (EPA) была освещена проблема излишнего потребления компьютерными системами электроэнергии и предложение перехода на более эргономичные режимы, существуют только системные платы, которые позволяют реализовать несколько экономичных режимов потребления энергии. Оборудование, удовлетворяющее ее (EPA) требованиям должно в среднем не превышать напряжения в 30 Вт, не использовать или выделять токсичные материалы или вещества и реализовывать 100% утилизацию. Так как микропроцессоры нового поколения используют напряжение питания 3,5-4 В, а на плату выводится 5 В, на системных платах устанавливают преобразователи напряжения.

Одной из новейших тенденций развития являются разработки фирмы Intel по созданию микропроцессора, совместимого как с процессорами ПК, как и с процессорами RISC архитектуры — основным направлением изменения конфигураций материнской платы на ближайшее будущее.

Список  использованных источников

1. Аврин С. Компьютерные артерии. Hard ‘n’ Soft. #6. 2004
2. Борзенко А. IBM PC: устройство, ремонт, модернизация. — М.: Компьютер Пресс,2006
3. Мюллер Скот «Ремонт и модернизация ПК».2002
4. Озерцовский С. Микропроцессоры Intel: от 4004 до Pentium Pro. Computer Week. #41. 2005
5. Bus Architectures. Introduction. IBM PC Institute.
6. Фролов А.В.,Фролов Г.В. Аппаратное обеспечение IBM PC. — М.: ДИАЛОГ-МИФИ.2000.
7. Motherboard CH-498B. User’s Manual.
8. Motherboard P/I-P55T2P4. User’s Manual.
9. Performance Measurement. P/I-P6NP5, P/I-P55TVP4. AsusTeK Inc.
10. Мюллер Скотт Модернизация и ремонт ПК [Текст] / Скотт Мюллер //Журнал Вильямс. – 2007. – С. 241–443.