Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Назаров_Конструирование_РЭС

торов определяется количеством и размерами кнопок управления, а масштабность телевизоров — размерами экрана.

Проблемой цветового решения издавна занимались художники, философы, физики, психологи, искусствоведы [49]. Как правило, все цвета делятся на ахроматические (белый, черный, серый) и хроматические (красный, зеленый, желтый, голубой и др.). Разбавление какого-либо спектрального цвета ахроматическим создает определенный тон и насыщенность цвета. Тон и насыщенность определяют лишь качественную характеристику цвета — цветность, но не определяют количественную — яркость. Наиболее полно отвечает требованиям художественного конструирования по использованию цвета теория согласования цветов [50]. Цвет имеет большое влияние на психологическое состояние человека. Красный цвет повышает эмоции, голубой — успокаивает, зеленый — освежает, оранжевый — вызывает радость, фиолетовый — печаль, черный — угнетает. Но если черный цвет применяется в сочетании с другими, то создается резкое ощущение контраста. Кроме того, цвет в нашей обычной жизни служит хорошим информатором. Существует три наиболее «фокусирующих» внимание цвета: красный, желтый и зеленый. Для контрастного их восприятия используются полярные ахроматические цвета: белый и черный. Красный цвет употребляют для предупреждения, быстрого включения и выключения аппаратуры. Желтый характеризует «тепло», особенно хорошо сочетается с черным обрамлением и используется для окраски корпусов контрольно-изме- рительных производственных приборов. Часто применяют также жел- то-оранжевый или золотисто-желтый цвет.

При выполнении экспериментально-измерительных работ, в особенности исследовательских (т.е. в течение части рабочего дня), наиболее приемлемы не «теплые» экстенсивные тона, а, наоборот, «холодные» (синий, голубой, серый), способствующие лучшему умственному восприятию и осмысливанию результатов исследования. При выборе цветового решения радиоприборов не следует увлекаться использованием большого количества цветов: обычно выбирают 2-3 основных цвета средней насыщенности и разделяют их на «зоны» с помощью белых или черных линий.

9.КОНСТРУИРОВАНИЕ КОММУТАЦИОННЫХ

ИНЕСУЩИХ ОСНОВАНИЙ РЭС

9.1.Расчет геометрических размеров коммутационных оснований

Коммутационными основаниями микросборок являются подложки, на которых устанавливают бескорпусные компоненты (кристаллы ИС,

331

миниатюрные ЭРЭ с тонкими плоскими выводами или безвыводные), а коммутацию между ними и пленочными элементами выполняют методами тонко- и толстопленочной технологии. При тонкопленочной технологии наибольшие линейные размеры имеет базовая пластина (подложка) размером 60x48 мм. Более мелкие подложки получают разрезанием (скрайбированием) базовой пластины на кратные части. Например, из базовой подложки можно получить четыре более мелких с размерами 24x30 мм, проводя линии разрезов посредине каждой стороны базовой пластины. Для толстопленочных подложек наиболее характерным типоразмером является плата 24x36 мм.

Коммутационными основаниями функциональных ячеек РЭС являются печатные платы, линейные размеры которых оговорены ГОСТ 10317-79 и приведены в табл. 9.1.

Расчет геометрических размеров коммутационных оснований сводится к решению двух задач (прямой и обратной): ,

по заданному количеству комплектующих элементов определить линейные размеры основания, на котором они могут быть размещены, и по результатам расчета подобрать рекомендуемые размеры подложек или печатных плат;

по заданным линейным размерам коммутационных оснований определить возможное количество комплектующих элементов на площадках с такими размерами.

Геометрические размеры подложки микросборки зависят от ее назначения и типа МСБ (цифровой, аналоговой, силовой и тонкоили толсто пленочной).

Для расчета длины А и ширины В тонкопленочной платы МСБ цифрового типа (рис. 9.1, а) необходимо знать размеры посадочного места а 0 и Ь 0 бескорпусной ИС, число микросхем i по оси х и у по оси у ,

число задействованных выводов п выв от кристалла ИС, величину краевого поля к , а также разрешающую способность Д трассировки платы (минимальные ширину проводников и зазор между ними). Размеры посадочного места бескорпусной ИС с проволочными выводами определяются из рис. 9.1,6:

где а, b — размеры кристалла ИС в плане, мм; l — минимальное расстояние от кристалла до края внутренней контактной площадки, мм: l > 0,8 мм; т — ширина внутренней контактной площадки, мм: т ≥0,4 мм

при пайке, т > 2 мм при сварке; п — ее высота, мм: п > 0,3 мм при пайке, п > 0,15мм при сварке.

332

Рис. 9.1. Геометрия платы МСБ: а — собственно платы; б — посадочного места бескорпусной ИС

Для бескорпусной ИС с шариковыми выводами а 0 = а и b 0 = b.

размеры площади платы для цифровой МСБ, изготовленной по тонкопленочной технологии, определяются как

A = a0i + (i+l) + 2 K,

(9 1}

В = b0j + (j+1) + 2 к.

Пример 9.1. Определить длину и ширину ситалловой коммутационной платы для размещения 12 бескорпусных ИС серии

706.

334

Используем данные ТУ на ИС: а = b = 1,5мм; l≥0,8мм; m ≥ 200 мкм (при сварке), тогда получим а0 = b0 = 3,5мм. Примем разрешающую способность тонкопленочной технологии для нашего случая p = 0,1 мм,а число задействованных выводов п выв= 12, тогда = 2,5мм. Микросхемы расположим на подложке в следующем порядке: число строк i = 4,число столбцов l = 3 (см. рис. 9.1, а). Тогда

А = 3,5∙4 + 2,5∙(4+1) + 2∙1,35=29,2мм, В = 3,5∙3 + 2,5∙(3+ 1)+ 2∙1,35= 23,2мм.

Выбираем типоразмер 30x24 мм.

Для расчета геометрических размеров многослойной толстопленочной МСБ цифрового типа можно пользоваться формулами (9.1—9.3),но при этом принять = к= 1,35мм.

Расчет геометрических размеров тонкопленочных плат аналоговых и силовых МСБ основан на определении требуемой площади платы под размещение активных компонентов и пассивных элементов схемы:

S=qS{ΣSR+ΣSC+ΣSL+ΣSK+ΣSКП}

где SR, SC SL, SK SКП— площади напыленных резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, навесных дискретных компонентов (бескорпусных аналоговых микросхем, транзисторов, диодов, конденсаторов) и контактных площадок; q s — коэффициент

дезинтеграции площади, равный 1,5...2,5.

Размеры тонкопленочных плат, кратные от деления базовых сторон 60x48 мм, могут быть выбраны из рекомендованного ряда табл. 9.2 по найденному значению площади.

Таблица 9.2

Расчет геометрических размеров печатных плат (длины L х и ширины L ) проводится по следующим формулам [17] в случае размещения соединителя вдоль оси х (рис. 9.2):

Lx = (nx-1)tx + lx+xl+x2,

L =(n -1)t +l +yl+y2,

335

где пx , пy — число микросхем (микросборок), размещаемых соответственно по осям х и у; t х, ty, lx, lу — шаги их установки и

размеры их посадочных мест по этим осям; х1, х 2 — краевые поля платы по оси х, зависящие от толщины печатной платы, типа корпуса и его ориентации на плате; у 1 — краевое поле для размещения соединителя; у2 -краевое поле для размещения контрольной колодки (если она имеется).

Рис. 9.2. Геометрия печатной платы

Все данные по геометрическим величинам, используемые при расчете, находятся по табл. 3.2, 3.5, 3.10.

В случае размещения соединителя вдоль короткой стороны платы формулы имеют вид

Lx = (nx-1)tx + lx+ yl+y2,

L =(n -1)t +l +xl+x2,

Пример 9.2. Подобрать рекомендуемый стандартный размер печатной платы толщиной 2,0 мм с установленными на ней 48 микросхемами серии К155 (корпус 201.14-1) и соединителем типа ГРПМ9-У вдоль большей стороны платы. Контрольная колодка отсутствует. Число задействованных выводов от корпуса - 12,

ориентация выводов корпуса на плате — горизонтальная. По табл. 3.2

находим lХ = 6,8мм,l =19,5мм, tx = 17,5мм, tу = 25мм, х1 =x2=; у2 = 5мм,;у1=20мм ; соответственно nx = 8 и ny = 6. Геометрические размеры платы:

336

Lx = (8-l)∙17,5+6,8+5+5=139,3мм;

Ly = (6-1)∙25+19,5+20+5=169,5мм .

Выбираем плату с размерами 140х 170 мм, почти точно совпадающими срасчетными. Если этого совпадения нет, то надо брать типоразмер с большим, чем расчетные, размерами из табл. 9.1.

9.2.Выбор материалов и расчет элементов печатных плат

Внастоящее время существует широкий ассортимент материалов,

.используемых для изготовления печатных плат. Это вызвано стремлением обеспечить высокие конструкторско-технологические и экспериментальные показатели. Для РЭС, работающих в условиях нормального климата при средней плотности монтажа, наибольшее применение находят фольгированные материалы, такие как гетинакс, стеклотекстолит и др.

Перечень основных материалов печатных плат и области их применения представлены в табл. 9.3.

Расчет элементов печатных плат состоит из конструкторскотехнологического расчета и расчета по постоянному току.

Целью конструкторско-технологического расчета является определение геометрических размеров основных элементов с учетом производственных погрешностей рисунка проводников, фотошаблона, базирования, сверления и т.п.

Расчет по постоянному току сводится к получению ограничений на ширину сигнальных проводников, шин питания и земли по критериям допустимого падения напряжения на сопротивлении проводника и плотности протекающего тока. В более сложном варианте задача расчета печатных плат по постоянному току формулируется как задача оптимизации ширины проводников питания и земли путем поиска оптимального размещения интегральных микросхем на плате [36].

Результаты конструкторско-технологического расчета и расчета по постоянному току элементов печатных плат используются в качестве ограничений при проектировании плат.

9.2.1. Конструкторско-технологический расчет элементов печатных плат

Основными элементами печатных плат являются проводники, контактные площадки, монтажные и переходные отверстия. Качество печатной платы зависит от размеров самих элементов и размеров их взаимного расположения. Номинальные значения этих размеров для узких

337

мест определяют класс точности печатной платы (табл. 9.4) и могут быть обеспечены при производстве. Расчетные значения размеров элементов печатной платы выбранного класса должны соответствовать данным табл. 9.4 и быть согласованы с технологическими возможностями конкретного производства.

Таблица 9.4

Диаметры монтажных и переходных отверстий должны соответствовать ГОСТ 10317-79. Предпочтительные диаметры отверстий выбирают из ряда 0,7; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5 мм, предпочтительные диаметры переходных отверстий -0,7; 0,9; 1,1 мм.

Номинальное значение диаметра монтажного отверстия

dм = dэ +r+2hГ+δн.о.

где d э — максимальный диаметр вывода радиоэлемента; r- разность

между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода радиоэлемента (r =0,1 ... 0,4 мм ); h г — толщина гальванически наращенной меди (h г = 0,05 ... 0,06 мм ); δ н.о.- нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия.Минимальный диаметр переходного отверстия

dп=kпhпл

где k п — отношение диаметра отверстия к толщине платы; h пл – толщина печатной платы.

Минимальный диаметр контактной площадки с метализирован ными отверстиями

d к.п = 2(bн+0,5dм+δ0+δкп) + δфф+ 1,5h ф,

339

где bн — ширина пояска контактной площадки; δ0, δКП— погрешность расположения отверстия и контактной площадки; δфф— погрешность фотокопии и фотошаблона; hф — толщина фольги.

Минимальная ширина проводника с учетом погрешностей выполнения фотокопии, фотошаблона и подтравления:

bпр = bп + δ ф.ф+1.5Ф

где bп — номинальная ширина проводника для выбранного класса

точности платы.

Минимальное расстояние между проводником и монтажным отверстием с контактной площадкой

tп.к =tо..л.-(0,5d к.п+δ ф.ш+0.5bпр +δс.п)

где tол — расстояние между центрами отверстий и осевыми линиями проводников;δф.ш-погрешность расположения контактной площадки относительно координатной сетки на фотошаблоне; δс.п -погрешность смещения проводника.

Минимальное расстояние между двумя проводниками

t = tо..л -(bпр +2 δс.п)

При расчете значений t п к и t параметр tо..л берут из чертежа пе-

чатной платы.

Допустимые погрешности геометрических размеров элементов печатной платы и их расположения приведены в табл. 9.5.

Найденные значения δпк и t должны соответствовать данным

табл. 9.4 и могут быть скорректированы по результатам расчета элементов платы по постоянному току.

340