1.4. Конструкторский расчет печатной платы

Печатная плата (ПП) — это основа печатного монтажа любой электронной аппаратуры (ЭА), при которой микросхемы, полупроводниковые приборы, электрорадиоэлементы и элементы коммутации устанавливаются на изоляционное основание с системой токопроводящих полосок металла (проводников), которыми они электрически соединяются между собой в соответствии с электрической принципиальной схемой.

По конструкции печатные платы подразделяются на однослойные и многослойные (МПП).

Однослойные печатные платы всегда имеют один изоляционный слой, на котором находятся печатные проводники. Если они расположены на одной стороне изоляционного основания, то такую печатную плату называют односторонней (ОПП), если на двух, то двухсторонней (ДПП).

Многослойные печатные платы имеют соединения между проводниками, расположенными в различных слоях, или открытый доступ к отдельным участкам проводников внутренних слоев для припайки к ним электрорадиоэлементов.

В разрабатываемом устройстве представлена односторонняя печатная плата.

Изготовление ПП определенного класса точности (ГОСТ 23751-86) обеспечивают, применяя различные техническое оснащение и вспомогательные материалы. ПП 1 и 2 классов точности наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость; 3 класса – требуют использования высококачественных материалов, более точного инструмента и оборудования; 4 и 5 классов – специальных материалов, прецизионного оборудования, особых условий для изготовления.

По точности выполнения печатных элементов конструкции (проводников, контактных площадок) используется 2-ой класс, т.к. имеет малую насыщенность поверхности, дискретными элементами, микросхемами малой степени интеграции.

Печатный монтаж — способ монтажа, при котором электрическое соединение элементов электронного узла, включая экраны, выполнено с помощью печатных проводников.

Печатный проводник — проводящая полоска в проводящем рисунке.

Изготовление печатных плат (ГОСТ 20406-75) осуществляется:

Химический метод - Химический способ изготовления печатных плат из готового фольгированного материала состоит из двух основных этапов: нанесение защитного слоя на фольгу и травление незащищенных участков химическими методами. Под травлением фольги понимают химический процесс перевода меди в растворимые соединения. Незащищенная фольга травится, чаще всего, в растворе хлорного железа или в растворе других химикатов, например медного купороса, персульфата аммония, аммиачного медно-хлоридного, аммиачного медно-сульфатного, на основе хлоритов, на основе хромового ангидрида. При использовании хлорного железа процесс травления платы идет следующим образом: FeCl₃+Cu → FeCl₂+CuCl. Типовая концентрация раствора 400 г/л, температура до 35°С. При использовании персульфата аммония процесс травления платы идет следующим образом: (NH₄)₂S₂O₈+Cu → (NH₄)₂SO₄+CuSO₄^].

После травления защитный рисунок с фольги смывается

Электрохимический метод- Для изготовления печатных плат можно применять электрохимический способ. Он заключается в гальваническом травлении платы. На заготовку переносят рисунок печатного монтажа, затем фольгу покрывают тонким слоем парафина или воска путем окунания в расплав этих веществ. Контуры печатных проводников и контактных площадок обводят с легким нажимом ос-трозаточенным шилом или иглой и с участков фольги, подлежащих травлению, удаляют защитное покрытие. К фольге подсоединяют положительный полюс источника постоянного тока напряжением 9—12 В. Отрицательный полюс источника тока подсоединяют к металлическому сосуду, в котором будет производиться травление (можно использовать сосуд из любого металла). В сосуд заливают насыщенный раствор поваренной соли, помещают в него заготовку платы и включают источник питания. После окончания процесса травления плату промывают и удаляют с помощью ножа остатки подлежащей травлению фольги. Особое внимание следует уделять тому, чтобы температура раствора во время травления не повышалась, иначе защитное покрытие может нарушиться. Во избежание этого сосуд для травления помещают в ванну с проточной холодной водой.

Комбинированный метод - Комбинированный метод заключается в получении печатной платы методом химического травления с последующей металлизацией монтажных отверстий гальванохимическим способом. Преимуществом данного метода является возможность одновременного получения печатного монтажа и металлизированных монтажных отверстий. К недостатку можно отмести двукратное воздействие химических реагентов на изоляционное основание - в процессе травления металлизации отверстий, что существенно снижает электрические свойства изоляционного основания платы.

Изготовление односторонней печатной платы осуществляется химическим методом.

Конструктивные характеристики ПП

Ширину печатных проводников рассчитывают и выбирают в зависимости от допустимой токовой нагрузки (20 А/мм²), свойств токопроводящего материала (удельная проводимость меди - 58 МСм/м), температуры окружающей среды при эксплуатации ( ). Края проводников должны быть ровными, проводники – без вздутий, отслоений разрывов, протравов, пор, крупнозернистости и трещин, так как эти дефекты влияют на сопротивление проводников, плотность тока, волновое сопротивление и скорость распространения сигналов.

Ширина печатного проводника не менее 0,45 мм.

Расстояние между элементами проводящего рисунка, расположенными на наружных слоях ПП, зависит от допустимого рабочего напряжения 9В, свойств диэлектрика (удельное сопротивление стеклотекстолита 10¹¹ Ом·м), условий эксплуатации и связано с искажением сигналов.

Расстояние между элементами проводящего рисунка не менее 0,3 мм.

Координатная сетка чертежа ПП необходима для координации элементов печатного рисунка. В узлах пересечений располагаются монтажные отверстия. Основным шагом координатной сетки принят размер 2,5 мм в обоих направлениях.

Координатная сетка чертежа ПП необходима для координации элементов печатного рисунка. В узлах пересечений располагаются монтажные отверстия. Основным шагом координатной сетки принят размер 2,5 мм в обоих направлениях.

Диаметры монтажных отверстий выбираем в соответствии с диаметрами выводов элементов и с требованиями ГОСТ 10317-79. Монтажные отверстия предназначены для установки микросхем и ЭРЭ.

Таблица 1.4.1.- Диаметры монтажных отверстий выбираем в соответствии с диаметрами выводов элементов и с требованиями ГОСТ 10317-79.

Диаметр		Количество
вывода элементов, мм	отверстия, мм	элементов, шт	отверстий, шт
0,6	1,0	26	106

Для обеспечения надежного соединения вывода с печатным проводником вокруг отверстия выполняется контактная площадка. Контактная площадка выполняется в виде кольца. Ее диаметр определяется по формуле: d_к = d + 2b + c, где

d — диаметр отверстия; b — необходимая минимальная радиальная толщина контактной площадки, b = 0,15 мм; c — коэффициент, учитывающий влияние разброса межцентрового расстояния, с = 0,4-0,5 мм.

Диаметр составляет d = 1,0 + 2*0,15 + 0,4 = 1,7 мм.

Допуск на межцентровое расстояние ±0,05 мм.

Допуск на размер отверстий берется по h13.

Для неметаллизированных отверстий и торцов плат шероховатость поверхности

R_z ≤ 80.

Печатные проводники рекомендуется выполнять прямоугольной конфигурации по рисунку координатной сетки. На всем протяжении проводники должны иметь одинаковую ширину.

Размер ПП, специально оговорен в техническом задании. Линейные размеры ПП соответствуют требованиям ГОСТа. Соотношение линейных размеров сторон ПП составляет не более 3:1.

Коробление ПП (спиральное искривление противоположных кромок основания ПП, скручивание) может привести к разрыву проводников,

осложняет процесс изготовления ПП и установки при сборке модуля; поэтому для разрабатываемого устройства такой вид деформации недопустим.

Электрические характеристики ПП

Допустимая плотность тока для ОПП – 20 А/мм² .

Допустимое рабочее напряжение между элементами проводящего рисунка на наружных слоях ПП – 50 В (приложение, таблица 3).

ПП должна обеспечивать работоспособность при воздействии на нее климатических факторов 1-й группы жесткости (приложение, таблица 4).

Контактные площадки ПП должны выдерживать не менее 3-х циклов перепаек.

Материал печатной платы

В качестве основания печатной платы используем фольгированный стеклотекстолит СФ-1-35 толщиной 1мм (приложение, таблица 5). По сравнению с гетинаксами стеклотекстолиты имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, меньшее влагопоглощение. Однако у них есть ряд недостатков: невысокая нагревостойкость по сравнению с полиимидами, что способствует загрязнению смолой торцов внутренних слоев при сверлении отверстий; худшая механическая обрабатываемость; более высокая стоимость. Существенное различие (примерно в 10 раз) коэффициента теплового расширения меди и стеклотекстолита в направлении толщины материала, что может привести к разрыву металлизации в отверстиях при пайке или в процессе эксплуатации.

Для изготовления ПП, обеспечивающих надежную передачу наносекундных импульсов, необходимо применять материалы с улучшенными диэлектрическими свойствами (уменьшенным значением диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь). Поэтому к перспективным относится применение оснований ПП из органических материалов с относительной диэлектрической проницаемостью ниже 3,5.