4.6. Трассировка проводников и размещение элементов проводящего

рисунка на печатной плате

При ручном мето­де конструирования для плат с небольшим количеством однотипных элементов (порядка 20) и средней связности схемы Не более 100 цепей эффективно применение каналь­ных алгоритмов трассировки .

Сущность канальных алгоритмов заключается в том, что на коммутационном поле, имеющем регулярную структуру, выделяются области прохождения трасс-каналов. В каж­дом канале параллельно может быть проложено не более К печатных проводников. Число К называют пропускной способностью канала, а область, в которой может быть проведена одна трасса в канале — магистралью.

Каналы образуются промежутками между корпусами навесных эле­ментов. При трассировке по этому методу каждая цепь разде­ляется на прямолинейные фрагменты, которые распреде­ляются по магистралям каналов. Фрагменты цепей в пре­делах канала упорядочиваются относительно друг друга по критерию минимума пересечений и максимально эффек­тивного использования пропускной способности каналов.

В зависимости от технологии выполнения печатных плат и допустимого количества слоев для реализации внутри­схемных соединений существует несколько разновидностей этого метода. При трассировке рекомендуется выполнять все горизонтально расположенные фрагменты цепей на одной стороне плат, а вертикально расположенные на другой (т. е. вертикальные и горизонтальные каналы распо­лагаются. на различных сторонах ДПП).

Переход трассы из горизонтального канала в вертикальный и обратно осущест­вляется с помощью сквозных металлизированных отвер­стий. Этот прием позволяет получать трассы минимальной длины, но ухудшает технологические и качественные характеристики ДПП из-за большого числа переходных от­верстий.

Для выполнения трассировки по описанному способу необходимо вычертить эскиз печатной платы в масштабе 4 : 1 на прозрачной пленке или кальке; нанести на него с двух сторон координатную сетку и обозначить посадоч­ные места. Качество трассировки значительно повышается, если перед трассировкой по результатам размещения было выполнено построение ортогональных минимальных дере­вьев и получена таблица соединений. Пользуясь этой таб­лицей, сначала выполняют трассировку цепей простой кон­фигурации, реализуемых без перехода из канала в канал, а затем проводятся отрезки трасс, подходящие к контактам модулей.

Далее производится распределение фрагментов трасс по горизонтальным каналам.

Рис. 4.4. Эскиз печатной платы

Таблица 4.5.

Шаги уcтановки ИМС в зависимости от среднего числа

задействованных выводов

Корпус по ГОСТ 17167-79	Среднее число выводов ИМС, не более	Шаг установи ИМС по осям, мм ИМС по осям, ис. 3.7)
		lx1	ly1
1203.14—5	14	27,5	22,0
1206.14—5	14	29,0	25,0
1207.14—5	14	29,0	39,0
1211.28—5	28	57,5	32,5
2102.14-5	14	27,5	17,5
2130.24—5	24	50.0	25,0
2207.48-5	48	70,0	47,5
3101.8—5	8	12,5	12,5
3103.12—5	12	17,5	17,5
4105.14-5	14	15,0	20,0
4106.16—5	16	17.5	20,0
4138.42—5	42	40,0	37,5

Эта операция требует определен­ного навыка. Основным критерием при распределении фраг­ментов трасс служит такое назначение фрагмента магистра­ли, при котором возникает минимальное количество кон­фликтных ситуаций. Если трасса соединяет контакты мик­росхем, расположенные с одной стороны канала, то ей вы­деляется ближайшая с этой стороны магистраль.

Основным ограничением при распределении фрагментов трасс по магистралям является пропускная способность канала. Если в канале имеются участки, где число фрагментов трасс больше числа магистралей, то необходимо скоррек­тировать размещение. Если трасса соединяет контакты мик­росхем, к которым подходят различные горизонтальные каналы, то соединения проведенных ранее горизонтальных отрезков осуществляются в вертикальных каналах. Эти две операции повторяются до тех пор, пока все трассы не будут разведены. Можно заметить, что данный метод от­носится к параллельно-последовательным методам трасси­ровки.

На расположение элементов печатного монтажа дейст­вует ряд ограничений, связанных с технологическими осо­бенностями производства и обеспечением необходимых электрических параметров схемы электрической принци­пиальной. В соответствии с вышесказанным студент выпол­няет конструктивно-технологические расчеты по постоян­ному (для цепей “питания” и “земли”) и переменному (для сигнальных цепей) току, на основе которых проектируется печатный монтаж, удовлетворяющий требованиям производства, мощности, электрической прочности, помехоустой­чивости.

Конструктивно-технологический расчет печатных плат производится с учетом производственных погрешностей рисунка проводящих элементов, фотошаблонов, базирова­ния, сверления, экспонирования и т. д. по ОСТ 4.010.019— 81 и ГОСТ 23751—79.

Рассмотрим расчет элементов проводящего рисунка с учетом технологии изготовления печатной платы.

Стороны прямоугольной печатной платы располагают параллельно линиям координатной сетки. Шаг координат­ной сетки следует выбирать по табл. 4.6;

Таблица 4.6

Класс точности Т а б л и ц а 3.6 Класс точности	1	2	3	4
Шаг координатной сетки, мм	2,50 (1,25)	2,50 (1,25)	1,25; 2,50 (0,50)	1,25; 2,50 (0,50)

Примечание. В скобках даны непредпочтительные значения.

Координатную, сетку и начало координат располагают в соответствии с ГОСТ 2.417—78. Для плат одного размера расположение координатной сетки должно быть одинаковым.

Отверстия и элементы проводящего рисунка распола­гают на печатной плате относительно базы координат. При размещении на печатной плате нескольких рисунков ис­пользуют только одну базу координат. Базу координат вы­бирают таким образом, чтобы исключить наличие отрица­тельных значений координат у отверстий, используемых в печатной плате.

Элементы проводящего рисунка располагают от края платы, неметаллизированного отверстия (диаметром более 1,5 мм), паза, выреза и т. д. на расстоянии не менее толщины платы с учетом допуска на линейные размеры, для плат толщиной менее 1 мм на расстоянии не менее 1 мм, ели это не противоречит электрической прочности.

Диаметры монтажных и переходных отверстий металли­зированных и неметаллизированных должны соответствововать ГОСТ 10317—79. (Под переходным отверстием пе­чатной платы подразумевается отверстие, служащее для соединения проводящих слоев печатной платы.)

Предпочтительные размеры монтажных отверстий вы­бирают из ряда 0,7; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5 мм, а переходных от­верстий из ряда 0,7; 0,9; 1,1 мм.

Номинальные значения диаметра монтажного отвер­стия, мм,

d = d_э + r + |Dd_н.о| , (4.1)

где d_э—максимальное значение диаметра вывода навес­ного элемента, устанавливаемого на печатную плату; r — разность между минимальным значением диаметра отвер­стия и максимальным значением диаметра вывода устанав­ливаемого элемента (величину r рекомендуется выбирать в зависимости от допусков на диаметры выводов устанавли­ваемых элементов и их расположения на корпусе); |Dd_н.о| — нижнее предельное отклонение номинального значения диа­метра отверстия.

Диаметры монтажных отверстий выбирают так, чтобы разность между минимальным значением диаметра отвер­стия и максимальным значением диаметра вывода устанав­ливаемого элемента была в пределах 0,1 ... 0,4 мм.

Предельные отклонения размеров диаметров монтаж­ных и переходных отверстий устанавливают в соответствии с табл. 4.7.

Та б л и ц а 4.7..

Предельные отклонения диаметров монтажных и переходных отверстий, мм

Размер	Наличие	Класс точности
отверстия, мм	металли­- зации	1	2	3	4
< 1.0	Нет	±0,10	±0,10 •	±0,05	±0,05
	Есть	+0,10 —0,15	+0,10 —0,15	+0,05 —0,10	+0,05 —0,10
>1,0	Нет	±0,15	±0,15	±0,10	±0,10
	Есть	+0,15 —0,20	+0,15 —0,20	+0,10 —0,15	+0,10 —0,15

Номинальное значение ширины проводника в милли­метрах .рассчитывается по формуле

t = t_м.д +½Dt_н.о½, (4.2)

где t_м.д — минимально допустимая ширина проводника (определяется далее); ½Dt_н.о½ — нижнее предельное откло­нение ширины проводника.

Предельные отклонения ширины проводника от номи­нального значения устанавливают в соответствии с табл. 4.8.

Таблица 4.8.

Предельное уклонение ширины проводника от номинального значения, мм

Наличие	Класс точности
покрытия	1	2	3	4
Без покрытия	+0,15 —0,15	+0,10 —0,10	+0,03 —0,05	+0,03 —0,03
С покрытием	+0,25 -0,25	+0,15 -0,10	+0.10 —0,08	+0,05 —0,05

Номинальное значение расстояния между соседними элементами проводящего рисунка S в миллиметрах определяют по формуле

S = S _м.д +Dt _н.о., (4.3)

где S _м.д — минимально допустимое расстояние между со­седними элементами проводящего рисунка; Dt _н.о.— верх­нее предельное отклонение ширины проводника.

Минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка S _м.д выбирают из расче­та обеспечения электрической прочности изоляии в со­ответствии с ОСТ4.010.019—81 или по ГОСТ 23751—79.

Диаметральное значение позиционного допуска распо­ложения проводника относительно номинального положе­ния dl выбирают по табл. 4.9.

Таблица 4.9.

Диаметральное значение позиционного допуска расположения проводника относительно номинального положения, мм

Вид плат	Класс точности
	l	2	3	4
Одно-и двусторонние	0,15	0,10	0,05	0,03
Многослойные	0,20	0,12	0,07	0,05

Центры монтажных и переходных отверстий на печат­ной плате располагают в соответствии с ГОСТ 10317—79.

Диаметральное значение позиционного допуска расположения центров отверстий относительно номинального положения узла координатной сетки dd выбирают по табл. 4.10.

Таблица 4.10.

Диаметральное значение позиционного допуска расположения центров

отверстий относительно номинального положения, мм

Размер большой	Класс точности
стороны платы, мм	1	2	3	4
L<l80	0,20	0,15	0,08	0,05
180<L<360	0,25	0,20	0,10	00,8
L>360	0.30	0,25	0,15	—

Предельное отклонение значения номинального рас­стояния между центрами двух отверстий печатной платы определяют как полусумму позиционных допусков распо­ложения центров этих отверстий.

Диаметральное значение позиционного допуска 6р рас­положения контактных площадок относительно его номи­нального положения выбирают по табл. 4.11.

Расчет минимального диаметра контактной площадки производят по формуле

D = ( d +Dd _в.o)+2b + Dt _н.о + 2Dd_mp + (dd² + dр² + Dt_н.о)¹/², (4.4) ;

где Dd _в.o — верхнее предельное отклонение диаметра отверстая; Dd_mp — глубина подтравливания диэлектрика для многослойных печатных плат (принимается равной 0,03 мм).

Таблица 4.11.

Диаметральное значение позиционного допуска расположения

контактных площадок относительно номинального положения, мм

Вид	Размер большой	Класс точности
платы	стороны платы, мм	1	2	3	4
Одно- и		0,35	0,25	0,20	6,15
двусторон­ние	L<180	0,40	0,30	0,25	0,20
	180<L<360	0,45	0,35	0,30	-
Многослойные	L.>360	0,40	0,35	0,30	0,25
		0,50	0,45	0,40	0.35
		0,55	0,50	0,45	-

Расчет минимального расстояния для прокладки n-го количества проводников между двумя, отверстиями с кон­тактными площадками диаметрами D1 и D2 производят по формуле

l = (D₁ + D₂)/2 + t n + S (n + 1) + dl , (4.5)

где n—количество проводников; dl—допуск, который учитывается только при п > 0.

Центры монтажных отверстий под неформируемые выводы многовыводных элементов, межцентровые расстоя­ния которых не кратны шагу координатной сетки, следует располагать таким образом, чтобы в узле координатной сетки находился центр по крайней мере одного из монтаж­ных отверстий, центры монтажных отверстий под остальные выводы располагать в соответствии с требованиями кон­струкции устанавливаемого элемента.

Взаимное расположение монтажных отверстий под вы­воды навесных элементов должно соответствовать ОСТ 4Г0.010.030; ОСТ 4.091.124—79; ОСТ 4.070.010—78.

Размеры и конфигурацию крепежных и других кон­структивных отверстий, например для корпуса навесных элементов, выбирают по ГОСТ 11284—75 в зависимости от требований конструкции устанавливаемого элемента. Не рекомендуется использовать более трех различных диа­метров монтажных отверстий. Все отверстия на печатной плате выполняют без зенковок. Допускается у металлизи­рованных отверстий печатных плат притупление острых кромок, и частичное затягивание фольги в неметаллизиро­ванные отверстия. При расчете диаметра контактной пло­щадки наличие притупления кромок не учитывают.

Отверстия подвергающиеся металлизации (переходные и монтажные), имеют диаметр не менее одной трети толщи­ны платы, если последняя не меньше 0,1 мм. Диаметр монтажных отверстий после металлизации, мм, прибли­женно можно оценить по формуле

dм = dэ + (0,14 ... 0,3) , (4.6)

при этом диаметр сверления отверстия под металлизацию, мм,

dc.в = dм + (0,1 ... 0,15). (4.7)

Металлизированные отверстия должны иметь контакт­ные площадки с двух сторон печатной платы. На внутрен­них слоях многослой­ной печатной платы контактные площадки должны быть у тех от­верстий, которые связа­ны электрически с про­водящим рисунком дан­ного слоя.

Неметаллизированные монтажные отвер­стия следует распола­гать в зоне контактной площадки. Допускается рас­положение контактной площадки рядом с неметаллизиро­ванным отверстием. При этом формула (4.5) примет, вид

(4.8)

где D₀₁ и D₀₂ — диаметры зон вокруг отверстий, свобод­ных от проводящего рисунка. Диаметр зоны

. (4,9)

Контактные площадки могут иметь произвольную фор­му. Предпочтительной является круглая форма. Контакт­ная площадка, предназначенная под установку первого вы­вода многовыводного элемента, должна иметь форму, от­личную от остальных. Контактную площадку неметалли­зированного монтажного отверстия, рассчитанную по (4.4), следует развивать в свободную сторону с таким расчетом, чтобы ее площадь, без учета площади отверстия, для 1-го и 2-го классов была не менее 2,5 мм², для 3-го и 4-го клас­сов не менее 1,6 мм². Контактные площадки на проводниках и экранах следует выполнять в соответствии с рис. 4.8.

Контактные площадки для автоматического контроля и диагностики следует выполнить круглой формы диаметром не менее 2 мм и располагать в узлах координатной сетки с шагом 2,5 мм в свободных местах в шахматном по­рядке так, чтобы расстояние между центрами контактных площадок, лежащих на одной линии координатной сетки, было кратно 5, а расстояние между центрами контактных площадок, лежащих на соседних линиях координатной сетки, кратно 2,5. Минимальный диаметр контактной площадки рассчитывают по (4.4). Числовые значения диаметров контактных площадок для рекомендуемого ряда отверстий даны в ОСТ 4.010.019—81. Ширину проводников и расстояние между элементами проводящего рисунка определяют в зависимо­сти от электрических, конструктивных и технологических требований. Номинальные значения основных параметров рисунка печатной платы в узком месте для каждого клас­са точности приведены в табл. 4.1, для свободного места значения этих параметров должны быть в два раза боль­шими.

Печатные проводники рекомендуется выполнять оди­наковой ширины по нормам для свободного места на всем их протяжении. Сужать проводники до минимального значения следует только в узком месте на возможно мень­шей длине. Проводники шириной более 3 мм, расположен­ные на печатной плате со стороны пайки и на внутренних слоях многослойной печатной платы, выполняют в соот­ветствии с рекомендациями для конструирования экрана (ГОСТ 23751—79).

Проводники располагают равномерно но полной пло­щади печатной платы с учетом следующих требований:

- параллельно линии координатной сетки или под углом, кратным 15°;

- параллельно направлению движения волны припоя или под углом к нему не более 30° со стороны пайки, если про­водящий рисунок не покрывают защитной маской;

- во взаимно перпендикулярных направлениях на, сосед­них проводящих слоях печатной платы;

- перпендикулярно касательной к контуру контактной площадки.

Минимальное расстояние для прохождения проводника в узком месте рассчитывают по (4.5). Числовые значения минимальных расстояний для проложения одного провод­ника в узком месте даны в приложении ОСТ 4.010.019—81.

В целях уменьшения сложности проводящего рисунка допускается применение перемычек в количестве не более 5% от общего числа печатных проводников. Экраны вы­полняют в одной плоскости с проводящим рисунком или как самостоятельно проводящие слои. Всё экраны выполняют с вырезами, площадь которых должна быть не менее 50 % общей площади экрана. Форма вырезов произвольная, оп­ределяется конструктором. При попадании в зону экрана отверстия, элек­трически с ним не связанного, следует сделать вырез вокруг этого отверстия шириной, обеспечивающей электрическую прочность изоляции, или не менее 1,0 мм.

Печатные контакты переключателей располагают про­извольно на любом участке полезной площади печатной платы. Размеры и взаимное расположение печатных контак­тов определяет конструкция переключателя.

Концевые печатные контакты располагают на краю пе­чатной платы. Размеры контактных площадок и их распо­ложение определяют из технических условий на гребенча­тый соединитель. На торце печатной платы со стороны пе­чатных контактов снимают фаску 0,3 x 45°.

Все печатные контакты на плате должны иметь износо­устойчивое покрытие, которое указывают на чертеже.