2.3 Расчет размера печатной платы

При выполнении расчётов используются справочные данные о габаритных размерах электрорадиоэлементов (ЭРЭ) или производят измерения установочных размеров ЭРЭ с учетом выбранного способа размещения и крепления их на печатной плате.

Для обеспечения оптимизации размещения ЭРЭ на печатной плате, размер платы должен выбираться (рассчитываться) с определённым запасом. Коэффициент запаса площади (плотности монтажа) для большинства узлов РЭС выбирают в пределах Кз = 1,0 – 2,5.

Расчёт производится в следующей последовательности:

Расчет площади, занимаемой всеми ЭРЭ данного типа в проектируемом печатном узле РЭС:

Исходные данные для расчёта являются справочными данными:

Установочная площадь: резисторы R3…R8, R10…R13: МЛТ – 0,125 – 38 мм² (10 шт.); конденсаторы С2: К50 – 35 – 40 мм² (1 шт.); конденсаторы С1,С4,С5: К10 – 5 – 40 мм² (3 шт.); микросхемы DD1: pic16f870 – 350 мм² (1 шт.); DA1: LM2931 – 35 мм² (1 шт.); кварцевый резонатор ZQ1: 20,0 МГц – 40 мм² (1 шт.).

Коэффициент запаса (1 – 2,5) выбираем К_з = 2,5.

Расчёт площади, занимаемой всеми ЭРЭ данного типа производится по формуле:

, (42)

где n_{(R,C,DD,DA,VT,BA)} – количество ЭРЭ данного типа;

S_i – установочная площадь одного ЭРЭ данного типа в мм²;

Рассчитываем площадь, занимаемую ЭРЭ соответствующего типа:

;

;

;

;

.

Расчёт общей площади элементов монтажа:

.

4) Определяем установочную площадь всех элементов на плате с учетом площади уголков для крепления платы и площади монтажных проводов.

S_уст.= S_общ.* К_уст , (43)

где Куст - коэффициент установки. Куст.=1,2;

S_уст.= S_cум.*1,2

S _уст = 969*1,2 =1163 мм²

5) Расчёт площади печатной платы с учётом коэффициента площади монтажа производится по формуле:

, (44)

где S_уст – общая площадь элементов монтажа;

К_з – коэффициент запаса.

Sпп = 1163*2,5 =2908 мм²

6) Выбирается соотношение сторон по удобству расположения и крепления платы в конструкции узла РЭС: 1:1.

7) Расчет размера сторон платы:

, (45)

Х_р= (46)

Х_р = 54мм

Длина платы с учетом кратности в соответствии с ГОСТ 10317 – 79 равна 55мм. Ширина платы 55мм.

2.4 Расчёт печатного монтажа

Печатные платы обладают электрическими и конструктивными параметрами.

К электрическим параметрам относятся:

t – ширина печатного проводника;

S – расстояние между печатными проводниками;

b – радиальная ширина контактной площадки;

R – сопротивление печатного проводника;

C – емкость печатного проводника;

L – индуктивность печатного проводника.

К конструктивным параметрам печатных плат относятся:

• размеры печатной платы;

• диаметры и количество монтажных отверстий;

• диаметры контактных площадок;

• минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки нужного количества проводников.

Расчет печатного монтажа производится в следующей последовательности:

Исходные данные для расчета:

• максимальное рабочее напряжение в электрической схеме: 9В;

• максимально возможный ток через печатный проводник I_mаx = 0,1 А;

• размер печатной платы равен 55*55 мм.

1. Минимально допустимая ширина проводника:

t_min Imax /( h_Ф х J),: (47)

где I – ток, А, протекающий по проводнику– берется из исходных данных (О,1 А).

h_Ф- толщина фольги h_ф = 0,05 мм);

j – плотность тока, А/мм².

Максимально допустимая плотность тока для печатных проводников следующая:

30 А/мм2 для внешних слоев печатной платы бытовой аппаратуры;

20 А/мм2 для внешних слоев печатной платы специальной аппаратуры;

15 А/мм2 для внутренних слоев многослойной печатной платы.

t = 0,1/0,05*30 = 0,07мм.

2. Минимально допустимое расстояние (зазор) между двумя печатными проводниками.

Минимальное расстояние S между печатными проводниками определяется из соображений обеспечения электрической прочности. Значения допустимых рабочих напряжений между элементами проводящего рисунка, расположенные на наружном слое печатной платы, приведены в таблице 6. Расчёт минимального расстояния между двумя печатными проводниками производится исходя из максимального рабочего напряжения в электрической схеме. Для напряжения питания 9В, при использовании стеклотекстолита в качестве основания печатной платы, минимальное расстояние между проводниками составляет 0,2 мм.

Таблица 6 – Допустимые рабочие напряжения

Расстояние между элементами проводящего рисунка	Значение рабочего напряжения, В
	ГФ	СФ
От 0,1 до 0,2 мм	-	25
Св.0,2 '' 0,3 ''	30	50
'' 0,3 '' 0,4 ''	100	150
'' 0,4 '' 0,7 ''	150	300
'' 0,7 '' 1,2 ''	300	400
'' 1,2 '' 2,0 ''	400	600

Зная t и S, из конструктивных соображений выбирается класс точности печатной платы.

Наименьшие номинальные значения основных размеров элементов конструкции печатных плат для узкого места в зависимости от класса точности приведены в таблице 7.

Таблица 7- Номинальные значения основных параметров для разных классов точности

Условное обозначение	Номинальное значение основных параметров для класса точности
	1	2	3	4	5
t, мм	0,75	0,45	0,25	0,15	0,10
S, мм	0,75	0,45	0,25	0,15	0,10
b, мм	0,30	0,20	0,10	0,05	0,025
γ *	0,40	0,40	0,33	0,25	0,20

* γ – отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине печатной платы.

Отечественным стандартом ГОСТ 23751-86 предусматривается пять классов точности (плотности рисунка) ПП (см. таблицу). Выбор класса точности определяется достигнутым на производстве уровнем технологического оснащения. В КД должно содержаться указание на необходимый класс точности ПП.

Платы первого и второго классов точности просты в изготовлении, дешевы, не требуют для своего изготовления оборудования с высокими техническими показателями, но не отличаются высокими показателями плотности компоновки и трассировки.

Для изготовления плат четвертого и пятого классов требуется специализированное высокоточное оборудование, специальные материалы, безусадочная пленка для изготовления фотошаблонов, идеальная чистота в производственных помещениях, вплоть до создания "чистых" участков (гермозон) с кондиционированием воздуха и поддержанием стабильного температурно-влажностного режима. Технологические режимы фотохимических и гальвано-химических процессов должны поддерживаться с высокой точностью.

Массовый выпуск плат третьего класса освоен основной массой отечественных предприятий, поскольку для их изготовления требуется рядовое, хотя и специализированное оборудование, требования к материалам и технологии не слишком высоки. Выбираем класс точности третий

Выбрав класс точности изготовления печатной платы, можно определиться со способом изготовления печатной платы.

Для изготовления печатных плат используют фольгированный гетинакс и фольгированный стеклотекстолит, которые могут быть односторонними и двусторонними. Выбор материала выбирается из конструктивных соображений. Следует помнить, что гетинакс дешевле стеклотекстолита, но если плата должна быть двусторонней или изделие будет эксплуатироваться в условиях повышенной влажности, повышенных механических нагрузок или в тяжелом температурном режиме, то следует использовать стеклотекстолит. Кроме того, сцепление фольги со стеклотекстолитом лучше, чем с гетинаксом, и фольгированный стеклотекстолит выдерживает большее число перепаек, не отслаиваясь. Наиболее распространенные марки фольгированных диэлектриков следующие:

ГФ-1-35, ГФ-1-50, ГФ-2-50, СФ-1-35, СФ-1-50, СФ-2-35, СФ-2-50, где первые две буквы означают вид диэлектрика, первая цифра говорит о том односторонний или двусторонний фольгированный диэлектрик, следующие две цифры указывают на толщину фольги в микрометрах. Выбираем:

• материал печатной платы: односторонний фольгированный стеклотекстолит марки СФ-1-35-1,5;

• метод изготовления печатной платы: химический;

• метод получения проводящего рисунка: офсетная печать;

• резистивное покрытие печатных проводников: сплав «Розе».

3. Сопротивление печатного проводника рассчитывается по формуле:

₍₄₈₎

где ρ – удельное сопротивление меди, Ом·мм²/м;

l – длина проводника, м.(измеряется)

t – минимальная ширина проводника

_{h – толщина проводника}

Удельное сопротивление меди зависит от метода изготовления проводящего слоя. Если проводники формируются методом химического травления фольги, то удельное сопротивление меди будет равно 0,0175 Ом·мм²/м, а при электрохимическом наращивании меди пленка более рыхлая и удельное сопротивление равно 0,025 Ом·мм²/м, при комбинированном методе изготовления печатной платы, когда проводники получаются методом химического травления, а металлизация отверстий производится методом электрохимического наращивания, удельное сопротивление будет равно 0,020 Ом·мм²/м.

ρ =0,0175 Ом·мм²/м;

l =для наиболее длинного 0,0375 м;

t = 0,15мм;

_{h = 0,05мм.}

R = 0,175*0,064/0,05*0,07 = 0,3 Ом

4. Sпp – суммарная площадь печатных проводников в виде линий:

, (49)

где – ширина печатного проводника, 0,15;

–общая длина печатных проводников, 444 мм;

.

5. S_КПП– суммарная площадь контактных площадок:

, (50)

где – радиус контактной площадки;

–радиус отверстия;

–количество контактных площадок ,86 шт. ;

Диаметры монтажных отверстий должны быть несколько больше диаметров выводов ЭРЭ, причем

d_О = d_В + D, (51)

при d ≤ 0,8 мм Δ = 0,2 мм,

при d > 0,8 мм Δ = 0,3 мм,

при любых d Δ = 0,4 мм, если ЭРЭ устанавливаются автоматизировано.

Диаметр выводов равен 0,8мм, следовательно диаметры монтажных отверстий будут равны:

d_О = 0,8 + 0,2 = 1мм

Рекомендуется на плате иметь количество размеров монтажных отверстий не более трех. Поэтому диаметры отверстий, близкие по значению, увеличивают в сторону большего, но так, чтобы разница между диаметром вывода и диаметром монтажного отверстия не превышала 0,4 мм. Диаметры контактных площадок определяются по формуле:

d_к = dо + 2 b + Δd, (52)

где b – радиальная ширина контактной площадки, мм, определяется по таблице 7

Δd – предельное отклонение диаметра монтажного отверстия, мм;

d_к = 1 + 2*0,1 +0,2 = 1,4мм.

R_отв = d_к/2

_{Rк = 0,7мм.;}

R_отв = 0,4 мм.;

n₁ = 86 шт.;

Sкпл = 86(3,14 = 121

6. S_ПП – суммарная площадь печатных проводников, мм².

, (53)

Где S_КПП – площадь контактных площадок;

S_ПР – суммарная площадь печатных проводником в виде линий.

Sпп = 121 + 66,6 = 187,6

7. Паразитная емкость печатной платы:

(54)

где – диэлектрическая проницаемость диэлектрика (для стеклотекстолита 5);

h – толщина платы;

S_ПП – суммарная площадь печатных проводников, мм².

С = 9=5,6пФ

8. Площадь металлизации:

Поскольку маркировка ЭРЭ и условное обозначение платы выполняется краской, то площадь металлизации равна площади проводящего слоя:

, (55)

где S_ПП – площадь печатных проводников (Sпп =187,6

Sмет.= Sпп = 187,6мм².

Рассчитанное значение заносится в технические требования монтажа печатной платы.

9. Паразитная поверхностная емкость между соседними проводниками:

, (56)

где k – коэффициент, зависящий от ширины проводников и их взаимного расположения;

ε – диэлектрическая проницаемость материала платы: ;

l_n – длина взаимного перекрытия проводников, мм.

_{10. Расчет масс печатной платы и сборочной единицы.}

Массу печатной платы, определим по формуле:

m ₌ m_{п +} m_ф, (57)

где m_п – масса платы,г;

m_ф, - масса фольги,г.

Масса печатной платы и масса фольги рассчитывается по формуле:

m = ×V (58)

где m_п – масса,г;

 - удельная плотность г/см³;

V – объем,

Определяютя по справочникам:

• толщина фольги: h_ф= 0.05 мм ;

• удельная плотность фольги 2,6*103кг/м³;

• удельная плотность стеклотекстолита 1700 – 1800кг/м³;

• толщина платы Н = 1,5 мм.

m_п = 1700*0,1*0,05*0,0015 = 12,75г

m_ф = 2,6*10³*0,1*0.05**35*10^--6 = 0,455г

m ₌ 12,75 + 0,455 = 13,2г

Определяется масса печатной платы с элементами. Результаты расчетов записываются в таблицу8

Таблица 8 -  Вес отдельных элементов устройства.

Наименование	Вес, гр	Количество, штук	Общий вес, гр.
Резисторы	0.1	10	1
Конденсаторы	5	1	5
	0.5	3	1.5
Микросхемы	12	1	12
	5	1	5
Кварцевый резонатор	10	1	10
Пайка	0,001	86	0,086

Просуммировав массу отдельных элементов, получаются:

Общая масса элементов: mэ = 34,586 г.

Общая масса устройства M = mэ + mп = 34,586 +13,2 =47,786 г.