5.Методические указания к выполнению работы

Рост сложности конструкции радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) неизбежно ведет к повышению плотности электрического монтажа печатных плат (ПП) и электрических связей между составляющими аппаратуру элементами.

Увеличение числа и типов элементов, количества выводов корпусов ИС усложняет электрические схемы РЭА, увеличивает количество и число межсоединений электрических проводников на ПП.

Принципиально задача размещения элементов и проводников между ними может быть решена вручную. Однако для этого потребуется много конструкторов, длительное время трассировки проводников, скрупулезная проверка и исключение ошибок. Задача еще более усложняется, если учитывать (а это, как правило, необходимо делать) специфичность отдельных проводников, например, их чувствительность к перекрестным помехам, необходимость выполнения минимальной длины и др.

Приступая к разработке ПП, конструктор должен придерживаться правил и положений, рекомендуемых стандар­тами, нормалями, руководящими техническими материалами: выбора габаритных размеров плат, числа слоев, параметров печатных проводников и элементов, техники выполнения ри­сунка печатного монтажа. Некоторые из этих правил следующие:

1. Максимальный размер стороны печатной платы, как однослойной, так и многослойной, не должен превышать 500 мм. Это ограничение определяется требованиями прочности и плот­ностью монтажа: чем больше плата, тем меньше плотность монтажа. На практике обычно печатные платы со стороной до 100 толщен материала диэлектрика изготовляют без до­полнительных деталей, повышающих жесткость. Для плат с большими размерами предусматривают специальные меры повышения жесткости (дополнительные точки крепления в устройстве, введение ребер жесткости и т. д.).

2. Соотношения размеров сторон печатной платы для упрощения компоновки блоков и унификации размеров печатных плат рекомендуются 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 3:2, 5:2 и т. д.,

3. Целесообразно с целью максимального использования, физического объема конструкции ЭВМ и упрощения ее изготовления разрабатывать печатные платы прямоугольной формы (другие формы печатных плат допускаются только при разработке ЭВМ специальной формы).

4. Выбор материала печатной платы и способа ее изготовления должен осуществляться на стадии эскизного проектирования наряду с установлением класса печатного монтажа так как оказывает существенное влияние на конструкторском" технологические, эксплуатационные и технико-экономические характеристики разрабатываемой ЭВМ (таблица 1).

Т аблица 1.

5. При разбиении принципиальной электрической схемы по слоям следует стремиться к минимизации числа слоев. Это диктуется чисто экономическими соображениями. Одно- и дву­сторонние печатные платы значительно дешевле многослойных, однако обладают сравнительно меньшей плотностью монтажа, низкой помехоустойчивостью и т. д. Поэтому в ряде случаев целесообразней использование печатных плат с небольшим числом слоев. Каждый слой должен нести определенную функциональную нагрузку (например, слой цепей питания, слой сигнальных цепей и т. д.).

Стоимость многослойной печатной платы от увеличения числа сдоев находится не в прямой пропорциональной за­висимости. Например, стоимость пяти- и десятислойных пе­чатных плат, изготовленных методом металлизации сквозных отверстий, отличается на 30-40%.

6. Проектирование многослойных печатных плат для ЭВМ может быть проведено двумя способами. Первый, обеспечивающий наибольшую плотность компоновки, заключается в раз­работке топологии отдельно каждого слоя платы. При этом возрастает номенклатура фотошаблонов, удорожается процесс изготовления плат и ЭВМ в целом. При втором способе отдельные слои всех типов плат, применяемых в ЭВМ, вы­полняют идентичными (например, слой подводки питания, слой заземления, слой экранирования), а остальные—по от­дельным шаблонам. Этот способ удешевляет процесс изго­товления печатных плат, несколько снижая плотность меж­соединений.

Целесообразно для бортовых и специализированных ЭВМ применять многослойные печатные платы, изготовленные по первому способу, а для больших стационарных — по второму.

7. Для вычерчивания взаимного расположения печатных проводников, печатных элементов, контактных площадок, мон­тажных и контактных отверстий и т. д. надо использовать координатную сетку в прямоугольной или полярной системе координат. Шаг координатной сетки в прямоугольной системе координат должен быть равен 2,5 мм (основной) и 0,5 мм (дополнительный). Применение того и другого шага коорди­натной сетки на чертеже одной платы недопустимо. Начало координат рекомендуется устанавливать в левом нижнем углу платы или в центре левого нижнего крепежного или техно­логического отверстия. Координатную сетку наносят сплош­ными тонкими линиями.

8. По краям платы следует предусматривать технологиче­скую зону шириной 1,5—2,0 мм. Размещение установочных и других отверстий, а также печатных проводников в этой зоне не допускается. Все отверстия должны располагаться в узлах координатной сетки. В том случае, если шаг распо­ложения выводов микросхем не соответствует шагу коорди­натной сетки, одно из отверстий под вывод (желательно первый) микросхемы должно обязательно располагаться в узле координатной сетки.

9. Для правильной ориентации микросхем при их установке на печатную плату на последней должны быть предусмотрены «ключи», определяющие положение первого вывода микросхемы.

10. Конденсаторы, резисторы и другие навесные элементы следует располагать параллельно координатной сетке. Рассто­яние между их корпусами должно быть не менее 1 мм, а расстояния между ними по торцу—не менее 1,5 мм.

11. Координаты монтажных отверстий можно задавать: а) нумерацией отверстий с занесением размеров их координат по осям х и у в миллиметрах в таблицу; б) указанием раз­меров координат за пределами рисунка печатной платы; в) нумерацией линий координатной сетки.

12. Диаметры монтажных отверстий необходимо принимать

равными 0,5; 0,8; 1,0; 1,3; 1,5; 1,8; 2,0; 2,4 мм. Обычно диаметр отверстия берут больше диаметра вывода на 0,5 мм, так как при этом обеспечивается наиболее полное заполнение его припоем при пайке. Отверстия под выводы микросхем и на­весных деталей зенкуют с обеих сторон платы. Установочные, проходные и технологические отверстия не зенкуют. Отверстия под выводы микросхем и навесных деталей и отверстия, соединенные печатными проводниками, должны иметь кон­тактные площадки, диаметры которых могут не менее чем на 1 мм превышать диаметр зенковки. Установочные, проход­ные и технологические отверстия контактных площадок не имеют.

13. На печатных платах должен быть предусмотрен ориен­тирующий паз (или срезанный левый угол) или технологи­ческие базовые отверстия, необходимые для правильной ориен­тации при изготовлении двусторонней печатной платы.

14. Печатные проводники не должны иметь резких пере­гибов и острых углов. Переходы при разветвленном провод­нике или переходы проводника к контактной площадке не­обходимо изготовлять плавными с радиусом закругления не менее 2 мм.

15. Печатные проводники, ширина которых на чертеже не превышает 1 мм, надо изображать сплошной утолщенной линией. Контактные площадки, примыкающие к таким про­водникам, не штриховать.

16. Печатные проводники по возможности следует выполнять минимально короткими. При изготовлении особо длинных печатных проводников (l_n>200 мм) целесообразно предусматри­вать дополнительные монтажные площадки и отверстия.

17. Ширину печатных проводников и расстояние между ними следует устанавливать после проведения соответствующих расчетов.

18. Прокладка рядом входных и выходных печатных про­водников схемы одного печатного проводника параллельно другому, аналогичному, проводнику на той или на иной стороне платы не рекомендуется во избежание возникновения паразитных наводок.

19. Проводники входных высокочастотных цепей должны прокладываться в первую очередь и быть максимально ко­роткими.

20. Печатный проводник, проходящий между двумя близ­лежащими монтажными площадками или любыми отверстиями, следует располагать так, чтобы его ось была перпендикулярна линии, соединяющей центры отверстий.

21. Проводники шириной до 2 мм можно располагать с обеих сторон печатной платы, проводники шириной от 2 до 5 мм—со стороны установки микросхем.

22. Заземляющие проводники, по которым протекают сум­марные токи всех цепей, следует изготовлять максимально широкими.

23. Для уменьшения паразитной емкостной связи между печатными проводниками иногда надо экранировать печатную схему, причем экран должен иметь максимально возможную ширину и быть не сплошным, а сетчатым [ячейки сетки должны располагаться с шагом 2—5 мм и быть круглыми диаметром 3—4 мм или продолговатыми с закругленными краями размерами (0,5 —1,5) X (3 — 5) мм]. При попадании в зону экрана отверстий, предназначенных под выводы навесных деталей или микросхем, около каждого из них на расстоянии 1 мм от его кромки в экране предусматриваются 2—4 сек­торных выреза шириной 1—1,5 мм, располагаемых по окруж­ности, или кольцевой вырез той же ширины.

24. При трассировке проводников необходимо избегать боль­ших площадей, покрытых медью. Во время операции пайки волной припоя в этих местах будет скапливаться припой. Если необходимо иметь большие поверхности меди, то надо предусмотреть ромбовидный или перекрестно-штриховой ри­сунок на медной поверхности.

25. Число отверстий различных диаметров следует сводить к минимуму. Чем меньше это число, тем меньше труда потребуется в изготовлении печатной платы.

26. С краев печатной платы следует снимать фаски. Между печатным соединительным контактом разъема и краем фаски должно быть расстояние не менее 0,8 мм.

На рис. 2 приведен фрагмент чертежа наружного слоя печатной платы с разметкой под микросхемы в корпусах с планарными выводами. Шаг координатной сетки 0.5 мм.

На плате используется печатный разъем (в правом нижнем углу), окружностями небольшого диаметра условно обозначены металлизированные отверстия с зенковкой и контактными площадками.

С учетом вышеизложенного трассировку проводников ПП в одной, двух или нескольких плоскостях (для одно-, двух- и многослойных печатных плат) представляет собой сложную математическую и инженерную задачу, решение которой на современном этапе развития техники невозможно без использования мощных вычислительных средств.

Н а рис. 3 приводится схема автоматизированного проектирования печатных плат.

Для выполнения настоящей лабораторной работы предлагается для проектирования трассировки ПП использовать систему P-CAD 2000, установленную на персональном компьютере.

Б лагодаря малой массе и развитой поверхности печатного про­водника сила сцепления его с основанием оказывается достаточной, чтобы выдержать воздействующие на проводник знакопеременные механические перегрузки до 40g в диапазоне частот от 4 до 200 Гц. Толщина проводника принимается 18,35, 50 мкм. Наименьшая ширина проводников и расстояние между ними (пробельные участки) выбираются в зависимости от класса пе­чатной платы (ГОСТ 23751—86). По плотности проводящего ри­сунка печатные платы и ГПК делятся на пять классов: первый класс характеризуется наименьшей плотностью проводящего ри­сунка, а пятый—наиболее высокой плотностью рисунка. Наи­меньшие номинальные значения ширины печатных проводников и пробельных участков для плат первого класса плотности составля­ют 0,75 мм, а для пятого—0,10 мм. В широких частях проводни­ка (свыше 2,5 мм) необходимо делать круглые точечные, кольце­вые или щелевидные разрывы (рис. 12.3, а), которые предотвра­щают вспучивание фольги при пайке погружением, так как эти отверстия обеспечивают выход газов.

При одностороннем монтаже соединение пересекающихся про­водников выполняют путем установки перемычек из медного луженого провода (рис. 12.3, б). Перемычку ставят со стороны навесных элементов. Форма, протяженность и расположение пе­чатных проводников могут быть произвольными в зависимости от конструктивных особенностей схемы. Однако во всех случаях не допускаются резкие перегибы, острые углы и переходы (рис. 12.3, в). Радиус закругления в местах перехода должен быть не менее 1 мм. Резкое изменение ширины и острые углы снижают механическую прочность сцепления проводников с основанием, и в процессе нагрева при пайке возможно отслаивание. Плавный переход устраняет местные перенапряжения и тем самым компен­сирует разницу в тепловых деформациях фольги и диэлектрика.

Соединение печатного проводника с навесными элементами осуществляется контактными площадками круглой, прямоуголь­ной и другой формы (рис. 12.3,г). Для образования контактной площадки проводник в местах пайки расширяется до диаметра на 2,5 ... 3 мм больше диаметра отверстия. Если расстояние меж­ду соседними проводниками небольшое, то можно сделать срез. Размер контактного отверстия берется больше диаметра вывода (или диагонали сечения для прямоугольного вывода) на 0,4 мм и округляется до ближайшего большего значения из ряда реко­мендуемых: от 0,4 до 3 мм через 0,1 мм, кроме размеров 1,9 и 2,9 (ГОСТ 10317—79).

На одной плате нецелесообразно иметь более трех значений разных диаметров отверстий, так как это затрудняет их обработ­ку в связи с необходимостью частой смены инструмента.

В каждое монтажное отверстие платы вставляется только один вывод от навесного элемента. Многоконтактные элементы с рас­положением выводов по окружности ставят геометрическим центром на пересечении линий координатной сетки. При этом центр хотя бы одного отверстия должен быть расположен на од­ной из вертикальных или горизонтальных линий координатной сетки.

Размеры печатных проводников и монтажных отверстий на чертежах печатных плат указывают с помощью координатной сетки в прямоугольной системе координат. Правила выполнения чертежей печатных плат (ГОСТ 2.417—78) предусматривают также нанесение координатной сетки в полярной системе коорди­нат и указание размеров при помощи размерных и выносных ли­ний. Допускается комбинированный способ указания размеров. Основной шаг координатной сетки в двух взаимно перпендикуляр­ных направлениях принимается равным 2,5 мм. При использова­нии шага координатной сетки менее основного следует применять шаг, равный 1,25; 0,625 и (0,5) мм (ГОСТ 10317—79). Координат­ную сетку наносят сплошными тонкими линиями.

За начало координат принимают центр крайнего левого нижне­го конструктивного или технологического отверстия (рис. 12.4, а— в). Допускается за начало координат принимать левый нижний угол платы (рис. 12.4, г) или точку, образованную линиями по­строения плат. Центры монтажных отверстий /—8 располагаются в точках пересечения координатной сетки и задаются следующи­ми способами: нумерацией отверстий с занесением размеров их координат в таблицу (рис. 12.4, а), нумерацией линий координат­ной сетки (рис. 12.4, б), указанием размеров координат в мм (рис. 12.4, б).

Проводники на чертеже изображаются одной линией, являю­щейся осью симметрии проводника. При ширине проводника бо­лее 2,5 мм они могут изображаться двумя линиями и выделяться зачернением или штриховкой (рис. 12.4, в).

Для определения размеров оригинала печатной платы при фо­тографировании и для совмещения фотошаблонов на технологиче­ском поле оригинала печатной платы выполняют кресты и дру­гие реперные знаки. Кресты, выполненные по углам (рис. 12.8, я), предназначены для проверки точности соблюдения заданного мас­штаба уменьшения при фотографировании. Два из них, располо­женные по диагонали или по большой стороне, используют в даль­нейшем для пробивки базовых отверстий, а пятый крест - для ориентирования. При изготовлении печатных плат, не требующих высокой точности, допускается использование при фотографирова­нии в качестве базового размер между наиболее удаленными кон­тактными площадками (размер А).

На технологическом поле платы могут предусматриваться сле­дующие элементы для контроля параметров печатной платы (рис. 12.8, б): 1—для определения числа перепаек; 2—для контроля прочности сцепления фольги с диэлектриком; 3—для контроля сопротивления изоляции между отверстиями; 4—для контроля сопротивления изоляции между проводниками.

Н едостатком рассмотренных методов получения фотошаблонов является необходимость масштабного фотографирования. Этот не­достаток устраняется при получении требуемой схемы в масштабе 1:1 непосредственно на фотопластинке сканирующим световым лучом с помощью координатографа. Последний позволяет наносить изображения прямолинейных линий шириной 0,25...4 мм и контакт­ные площадки различной конфигурации. Рисунок печатного монта­жа кодируется и переносится на перфоленту, которая помещается в считывающее устройство координатографа. Информация одного кадра вводится в блок управления, где преобразуется в импульсы

д ля шаговых двигателей. Последние работают раздельно, переме­щая координатный стол по оси х или у. При совместной работе двигателей стол перемещается под углом 45°. Точность установки координат ±25 мкм. Форму и размеры контактных площадок оп­ределяют диафрагмы. Сменные диски содержат от 16 до 32 различ­ных по конфигурации диафрагм. Требуемые размеры и яркость све­тового луча обеспечивается оптической головкой.

Наиболее целесообразным является получение оригиналов фото­шаблонов в системах автоматизированного проектирования печат­ных плат (рис. 12.9).