Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Osnovy_proekt_ES_UchPosob_2007

6. Система межсоединений. Проектирование печатного монтажа

6.1.Разновидности печатных плат

Внастоящее время широко применяют печатный монтаж (рис. 6.1), который имеет следующие преимущества:

1.Компактность, высокая плотность монтажа

2.Высокая технологичность, т.к. возможна автоматизация производства, что ведет к снижению брака.

3.Печатная плата исполняет роль несущего элемента и элемента электромонтажа.

4.Жесткость, виброударопрочность конструкции.

Рис. 6.1. Пример печатной платы

ПП и конструкции на их основе различают:

а) по технологии производства:

1) Химический метод.

Сущность химического метода в травлении фольги фольгированного диэлектрика согласно предварительно нанесенному рисунку печатных проводников и контактных площадок. Рисунок печатного монтажа обычно наносят через фотошаблон светом по пленке фоторезиста на фольгированной плоскости платы. На платах химического метода обычно исполняют односторонние конструкции, когда с одной стороны платы печатные проводники и контактные площадки, а с другой стороны устанавливаемые элементы.

2)Комбинированный.

3)Электрохимический.

4)металлизация сквозных отверстий.

б) по конструкции:

50

1)Односторонняя.

2)Двусторонняя.

3)Многослойная.

Точность производства и плотность монтажа ПП зависят от технологии производства. Существует 5 классов точности и плотности ПП (табл. 6.1).

Таблица 6.1.Минимальные размеры печатного монтажа

Химический и комбинированный методы производства предполагают процесс травления фольги, а значит, не могут обеспечить точность выше 3 класса.

Чем выше требуемая точность производства платы, тем меньше допустимые её размеры.

Печатные платы 4, 5 класса получают по аддитивным технологиям, т.е. электрохимическими методами наращивания проводников.

Если схема содержит микросхему с большой плотностью выводов, то могут предполагаться многослойные ПП.

Многослойная печатная плата представляет собой совокупность односторонних и двусторонних плат (слоев) на тонком теплостойком диэлектрике, которые уложены в пакет и спрессованы при высокой температуре. Соединение проводящих слоев различных уровней выполняют с помощью сквозных отверстий металлизированных по всей длине и имеющих контактные площадки только тех уровней, которые соединяем.

В качестве тонкой теплопрочной основы может быть ФДП с толщиной

0,06-0,12 мм.

МПП имеют пониженную надежность в производстве (брак) и при эксплуатации, поэтому идут по пути повышения точности и плотности монтажа, чтобы обойтись двусторонней конструкцией.

51

6.2. Основные требования к проектированию печатного монтажа, трассировка и расчёты печатных элементов монтажа

При проектировании ПП и ячеек ЭС должны выполняться следующие

основные требования.

1.При проектировании необходимо обеспечить минимальные размеры конструкции, а значит максимальную плотность заполнения площади элементами.

Коэффициент заполнения площади элементами: Ks = Sэ/Sпл = 0,5...0,7. Для конструкций с дискретными ЭРЭ Ks≥0,5.

2.Плата рекомендуется прямоугольной конфигурации, т.е. a/b<3.

Каждая сторона ПП по своим размерам должна быть кратна шагу коор-

динатной сетки.

Шаг координатной сетки – 2,5 мм.

Для точных и плотных плат на ИС применяют шаг координатной сетки

1,25 мм, 0,5 мм.

Координатную сетку привязывают к началу координат: либо к левому нижнему углу платы, либо к левому нижнему отверстию.

Координатная сетка по координатным линиям нумеруется либо по каждой линии, либо через несколько линий, но не более чем 4.

Допустимые к применению размеры ПП ограничивают в зависимости от величины платы:

1)Если платы малых размеров: а≤100 мм, то а,b = 2,5·n.

2)Если платы средних размеров: 100<а≤360 мм, то а,b = 5·n.

3)Если платы больших размеров: а>360 мм, то а,b = 10·n. Максимально допустимый размер платы: а = 470 мм.

Для ячеек микроэлектронной аппаратуры из предложенного ряда раз-

меров рекомендуют ограниченную выборку типоразмеров (для ЭС 12 типоразмеров).

3. В качестве материалов ПП выбирают материалы требуемой влагоустойчивости, механической прочности в зависимости от условия эксплуатации.

1)Гетинакс фольгированный ГФ-1-35, ГФ-2-35. Этот материал гигроскопичен.

2)Стеклотекстолит фольгированный СФ-1-50, СФ-2-50. Материал влагоустойчив, механически прочный. Применяют в условиях эксплуатации с повышенной влажностью и виброударопрочностью. Для ОПП и МПП с h = 0,8; 1; 1,5; 2; 2,5; 3 мм

3)Стеклотекстолит теплостойкий фольгированный СТФ-1, СТФ-

2.Теплостойкий, имеет температуру до 150 °С. Для МПП и

52

гибких ПП с h = 0,12; 0,15; 0,2 мм и т.д. Большие значения толщины применяют для ОПП, МПП.

4)Фольгированный диэлектрик лавсановый ФДЛ-35, ФЛЛ-50 h = 0,06-0,12 мм. Применяют для МПП, гибких печатных кабелей.

4.ЭРЭ размещают так, чтобы выводы располагались в узлах координатной сетки.

ЭРЭ размещают рядами параллельно/перпендикулярно к сторонам платы. Длина печатных проводников должна быть минимальна, это значит, что соединяемые элементы с соединяемыми выводами должны размещаться рядом.

6.3.Особенности конструирования печатных плат с поверхностноплоскостным монтажом компонентов

Широко применяемый односторонний и двухсторонний монтаж компонентов платы, исполненных с проволочными выводами, имеет следующие недостатки конструкции:

-необходимость монтажных отверстий на плоскости платы;

-ограниченность возможности монтажа в двух плоскостях платы;

-потеря площади на монтажное поле под выводы элементов и снижение плотности упаковки.

Для выполнения ячеек ЭС по технологии поверхностного монтажа необходимо исполнить ПП из двухстороннего фольгированного текстолита по 3-му классу точности.

Технология поверхностного монтажа обладает рядом неоспоримых преимуществ:

-увеличение функциональной сложности на единицу площади; -возможность полной автоматизации процесса сборки и монтажа; -улучшение массогабаритных показателей.

Очевидно, что выбор ТПМК вполне обоснован. Так как элементная база для поверхностного монтажа представлена только в виде поверхностномонтируемых компонентов – резисторов Р1-12 и конденсаторов К10-17в, то возможен для исполнения только вариант смешанного разнесенного монтажа, при котором компоненты для поверхностного монтажа располагают с одной стороны платы, а элементы с аксиальными (штырьковыми) выводами – с другой (рис. 6.2).

Такой вариант компоновки позволит заметно повысить плотность упаковки ПП и использовать согласно [1?] пайку двойной волной припоя для монтажа как поверхностно-монтируемых компонентов, так и элементов со

53

штырьковыми выводами. Для пайки волной используется припой ПОС 61

ГОСТ 21931-76.

Рис.6.2. Поверхностный монтаж элементов с нижней стороны платы

Для обеспечения качественной пайки ТПМК-компонентов необходимо их размещать, по возможности, равномерно по всей плате. Существуют два способа ориентации ТПМК-элементов по отношению к направлению волны припоя (рис. 6.3).

Рис.6.3. Ориентация ТПМК-компонентов

В случае, изображенном на рис. 6.3б может возникнуть непропай левого по рисунку вывода элемента из-за затенения корпусом элемента. Поэтому предпочтительней вариант показан на рис. 6.3а. При очень плотной упаковке может возникнуть множество замыканий между ТПМКкомпонентами (рис. 6.4а). Для частичного предотвращения этого эффекта применяют «ловушки» припоя (рис. 6.4б).

Рис.6.4. Использование «ловушек» припоя

54

ную часть, а размер контактной площадки увеличить. Размеры на заданные участки контактных площадок можно найти в [1?].

б

а

Рис.6.7. Формирование топологии печатного монтажа

На ПП надо предусмотреть метализированные монтажные отверстия для установки элементов со штырьковыми выводами.

Зазор между выводами обычных и ТПМ-компонентов должен быть не менее 1мм, а между выводом обычного компонента и коммутационной дорожкой – не менее 0,5 мм.

В составе схемы есть ИМС и фильтры с двумя рядами выводов. Возможны два способа ориентации рядов выводов этих элементов относительно волны припоя (см. рис. 6.8).

б

а

Рис. 6.8. Ориентация ИМС относительно волны припоя

В случае, показанном на рис. 6.8б, возможны замыкания контактных площадок соседних выводов. Поэтому надо ориентироваться на применение варианта, изображенного на рис. 6.8а. При этом будет обеспечено наилучшее качество пайки.

При разработке компоновочных вариантов печатного узла РПУ необходимо руководствоваться следующими требованиями на проектирование РПУ:

56

а) максимальный размер ПП 150х60 мм. Критерий оптимизации – уменьшение ширины ПП.

б) ориентацию, расположение и шаг выводов РПУ выполнить идентично с вариантом аналога блока РПУ. Компоновка ПП блока – аналога РПУ показана на рис. 6.9.

В результате была выполнена трассировка печатной платы с учетом всех требований и ограничений, оговоренных ранее. Удалось уменьшить ширину ПП до величины 40мм, то есть примерно на 30% от начального значения. Полученный результат весьма значителен.

6.4.Особенности оформления чертежа печатной платы

ПП– деталь, а значит, на чертеже ПП должны быть обозначены все размеры, допуски на все размеры, шероховатости.

В наименовании чертежа в основной надписи отмечают “Плата печатная”, рекомендуемый масштаб 2:1.

Большую часть размеров оказывается возможным проставить на чертеже координатным методом, тонкими линиями типа “Выносных”, изображается координатная сетка. Координатная сетка привязывается к левому нижнему углу или левому нижнему крайнему отверстию, нумеруется. Шаг координатной сетки указывается в технических требованиях в чертежах.

57

h = 2,5; 1,25; 0,5 мм

Отверстия и контактные площадки ориентируются в узлы координатной сетки.

Отверстия близких значений диаметров изображаются окружностью одного диаметра. Отверстия одного диаметра на чертеже условно выделя-

ются (рис. 6.10).

Отверстия под выводы ЭРЭ выбираются в зависимости от диаметра вывода ЭРЭ на 0,2-0,4 мм больше диаметра вывода.

Рис. 6.10. Расположение отверстий на ПП

В конструкции рекомендуется ограничить количество типоразмеров отверстий до значений 3-х или 4-х.

Контактные площадки и проводники на чертеже ПП могут изображаться двумя различными методами:

1)Контактные площадки и проводники изображаются контурным очертанием со штриховкой:

2)Контактные площадки и проводники изображаются упрощенно утолщенной линией толщиной в 2 “Контурные”.

В таком случае на чертеже должны быть указаны размеры контактных площадок, проводников и зазоров в технических требованиях.

Размеры элементов печатного монтажа рекомендуется отметить таблицей (табл. 6.2).

58

Таблица 6.2. Пример таблицы размеров отверстий

Минимальный диаметр контактной площадки (рис. 6.11) рассчитывается с учетом выбранного класса платы и условиями производства

Dmin = d0 + ∆dBO + 2bmin + ∆tBO + Td2 +TD2 + ∆tHO2 ,

Для плат 3-го класса точности имеем следующие значения параметров,

∆d0 зависит от d0: если d0≤1 мм, ∆d0 = ±0,05 мм; если d0>1 мм, ∆d0 = ±0,1 мм; bmin = 0,1 мм в 3-м классе.

Погрешность ширины проводника ∆t = ±0,1 мм.

Если плата малая ℓ<180 мм, Тd = 0,08 мм; 180<ℓ<360 мм, Тd = 0,1 мм; ℓ>360 мм, Тd = 0,15 мм.

ТD = 2 Тd .

Для плат более грубых классов точности (1 кл.) погрешности параметров увеличиваются в 2 и даже в 3 раза. Информацию о размерах можно указать в технических требованиях или в виде таблицы (табл. 6.3).

59