3. Печатные платы / Методичка 2к

Лабораторная работа №2к

Проектирование печатных плат блоков РЭА из интегральных микросхем с элементами САПР

1. Цель работы

Целью работы является изучение принципов конструирования печатных плат для обеспечения заданных электрических и эксплуатационных характеристик на основе использования типовых материалов и компонентов,

атакже элементов САПР.

Сэтой целью необходимо рассмотреть следующие вопросы.

1.Изучить основные требования и нормированные ограничения при разработке топологии и конструкции печатной платы в целом.

2.Уяснить особенности и преимущества печатного монтажа.

3.Изучить материалы, используемые при печатном монтаже.

4.Изучить основные требования и рекомендации по проектированию чертежей печатных плат узлов радиоаппаратуры, выполненных на микросхемах либо дискретных компонентах.

5.Ознакомиться с методами конструирования блоков радиоаппаратуры на печатных платах.

6.Изучить технологические способы нанесения изображения печатных схем и способы создания печатных проводников.

7.Изучить способы механической обработки печатных плат.

8.Ознакомиться с основами проектирования многослойных печатных

плат.

9.Ознакомиться с принципами автоматизированного проектирования печатных плат с использованием современных САПР.

2. Задание

Домашнее задание для получения допуска к выполнению практической

части.

1. Самостоятельно изучить теоретическую часть описания лабораторной

58

работы.

2.Заблаговременно изучить указанные в описании разделы рекомендуемой литературы.

3.Для получения допуска к выполнению практической части работы ответы на все контрольные вопросы должны быть представлены в письменном виде в краткой форме.

Контрольные вопросы должны быть также записаны.

4.Изучить все варианты заданий, представленные в приложении 2, и

соответствующие им конструкции корпусов интегральных микросхем различных серий и принципиальные схемы используемых ИС.

5.По заданному варианту задания самостоятельно спроектировать чертеж печатной платы.

Вариант для самостоятельного проектирования выбирается по первой

букве фамилии

3. Методические указания, поясняющие последовательность

проектирования печатных плат

Весь материал теоретической части должен быть изучен заранее, до выполнения практической части работы. После получения у преподавателя номера варианта необходимо работу выполнять в следующей последовательности.

1. Записать техническое задание на конструирование заданного варианта.

59

2.Начертить принципиальную или функциональную схему узла.

3.Учитывая условия производства и эксплуатации, обосновать выбор метода конструирования.

4.Обоснованно указать выбор способа нанесения изображения печатных

схем.

5.Выбрать способ создания печатных проводников.

6.Выбрать материал основания печатной платы.

7.Исходя из условий эксплуатации и выбранного способа создания печатной платы, указать выбор ширины соединительных проводников и расстояние между соединительными проводниками.

8.Исходя из заданных габаритов узла и стыковочных данных, выполнить компоновку узла при помощи объемных моделей либо натуральных радиоэлементов.

9.Начертить сборочный чертеж печатной платы с установленными элементами.

10.В соответствии с принципиальной или функциональной схемой произвести трассировку проводников печатной платы.

11.Согласно трассировке проводников и учитывая выбранный способ изготовления печатной платы, выполнить чертеж разработанной печатной платы.

12.Используя графики зависимостей удельной паразитной емкости соединительных проводников от их конструктивных параметров, определить наибольшую величину емкости на печатной плате. (Для этого использовать

указанную литературу.)

Учитывая условия эксплуатации, оценить допустимость величины

полученной паразитной емкости на рабочей частоте.

13.Оценить качество компоновки узла (ячейки) по коэффициенту использования площади печатной платы.

14.Сделать конкретные выводы о соответствии разработанной печатной платы требованиям технического задания.

60

8. Дать определение терминов: печатная плата, печатный монтаж,

контактные переходные отверстия, координатная сетка, лицевая сторона

платы.

9.Сравните способы нанесения изображения печатного монтажа на

плату.

10.Сравните способы изготовления печатных проводников.

11.Сравните методы конструирования блоков РЭА на печатных платах.

12.Сравните способы механической обработки.

13.Оценки качества компоновки, расчет паразитной емкости.

14.Виды отверстий в печатных платах.

15.Основные характеристики многослойных печатных плат.

16.Основные рекомендации по уменьшению наводок в аппаратуре на печатных платах с микросхемами.

17.Какое основное требование заложено в алгоритме трассировки печатных проводников и почему?

18.Достоинства и недостатки автоматизированного проектирования печатных плат.

19.Какие алгоритмы трассировки применяют в настоящее время, их достоинства и недостатки?

20.Каков алгоритм огибания препятствий при трассировке?

62

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЧАТНОГО

МОНТАЖА РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ (РЭА) [1-4]

Весь процесс изготовления РЭА с применением печатных плат

достаточно сложен и состоит из следующих этапов:

1.Фотолитография внутренних слоев

2.Травление внутренних слоев

3.Автоматическая оптическая инспекция внутренних слоев

4.Прессование

5.Вскрытие базовых отверстий

6.Сверление сквозных отверстий

7.Первая металлизация

8.Фотолитография внешних слоев

9.Гальваническое меднение

10.Травление внешних слоев

11.Автоматическая оптическая инспекция внешних слоев

12.Формирование масочных слоев

13.Маркировка

14.Финишное покрытие

15.Электротестирование

16.Механическая обработка контура

17.Финишный контроль

18.Подготовка радиоэлементов к монтажу

19.Изготовление трафарета для SMT-монтажа

20.Нанесение паяльной пасты

21.Контроль качества нанесения паяльной пасты (SPI)

22.Установка компонентов на плату

23.Конвекционная пайка печатных плат

24.Автоматическая оптическая инспекция качества монтажа (AOI)

63

25.ОТК

26.SPC статистический контроль процесса

27.Дополнительные виды контроля (Рентген)

28.Селективная пайка

29.Финальный контроль качества

Эти этапы можно собрать в несколько крупных групп:

1.Печать электрического монтажа (1-16).

2.Контроль (17)

3.Подготовка радиоэлементов к монтажу (18-21).

4.Установка радиоэлементов на печатной плате (22).

5.Пайка. (23, 28)

6.Контроль (24-27,29).

Вданной лабораторной работе подробно изучается лишь изготовление

печатного электрического монтажа, под которым понимается система печатных проводников, обеспечивающих электрическое соединение элементов схемы, их экранирование, заземление, охлаждение.

Печатным проводником называется участок металлизированного слоя,

нанесенного на изоляционное основание, эквивалентный обычному

монтажному проводу.

Печатная плата представляет собой изоляционное основание с выполненным на нем печатным монтажом.

Печатный монтаж называют односторонним, если проводники расположены по одну сторону изоляционного основания, а соединяемые элементы – по другую. При двустороннем монтаже проводники располагаются по обе стороны платы.

При трех и более слоях соединительных проводников получают

многослойные печатные платы (МПП).

64

2.ДОСТОИНСТВА ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.Проблема надежности электрических соединений является очень важной, учитывая, что в некоторых РЭА на долю соединений между элементами приходится 80% общего объема аппаратуры.

Применение печатного монтажа вместо объемного повышает

надежность, так как все соединительные проводники изготавливаются

одновременно, т.е. интегрально (групповым методом).

2.Печатный монтаж позволяет повысить производительность труда, так как исключает необходимость применения ручного труда при групповом методе изготовления, позволяет механизировать и автоматизировать производство.

3.При печатном монтаже повышается процент выхода годных, так как однообразие в монтаже исключает ошибки производства.

4.Из-за большой плотности печатного монтажа можно уменьшить габариты и вес аппаратуры.

5.Печатный монтаж позволяет обеспечить высокую стабильность параметров аппаратуры, так как все детали прочно связаны с изоляционной платой.

6.РЭА с печатным монтажом по той же причине имеют высокую механическую прочность.

Таким образом, печатный монтаж позволяет уменьшить габариты и вес аппаратуры, увеличить процент выхода годных, повысить надежность в отношении как катастрофических, так и параметрических отказов, и, наконец,

снизить себестоимость изделий.

3. МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ПЕЧАТНОМ МОНТАЖЕ

[1-2, 4, 5]

Печатные проводники на поверхности изоляционного основания могут быть получены либо избирательной металлизацией (например,

электрохимическим способом), либо избирательным удалением части

65

сплошного слоя металлизации, заранее нанесенного на изоляционное основание (например, избирательным травлением фольгированных изоляционных материалов).

Материал основания должен обладать следующими свойствами.

1.Иметь высокие электроизоляционные показатели в условиях эксплуатации РЭА, т.е. иметь большую электрическую прочность, большое сопротивление изоляции, малые диэлектрические потери.

2.Обладать химической стойкостью к действию химических растворов,

используемых в технологии печатного монтажа.

3.Допускать штамповку.

4.Выдерживать кратковременное воздействие температуры до 240°С в процессе пайки.

5.Иметь высокую влагостойкость.

6.Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) должен быть близок к ТКЛР медной фольги во избежание обрывов узких соединительных проводников при температурных перепадах.

7.Поверхность основания должна хорошо сцепляться с металлическими покрытиями.

На рисунке 1 представлен общий вид конструкции многослойной печатной

платы.

Всовременном производстве в качестве диэлектрика используются:

•листы, изготовленные на основе стеклотканей, пропитанных связующим на основе эпоксидных смол – стеклотекстолит, отечественного производства: СФ, СОНФ-У, СТФ, СТНФ, СНФ, ДФМ-59, СФВН; или иностранного: FR-4, FR-5, CEM-3 и т.п.);

•листы с керамическим наполнителем, армированные стекловолокном –

Rogers RO5603, RO4350;

•листы фторопласта (PTFE), также армированные – Arlon AD 250 и 255, Arlon (AD и AR);

•ламинаты на металлическом основании (алюминий, медь, нержавеющая

66

сталь);

• плёнки из полиимида, полиэтилентерефталата (PET, ПЭТФ, лавсан);

Рис. 1. Конструкция многослойной печатной платы

Для стандартных односторонних и двусторонних печатных плат широкое применение находит фольгированный стеклотекстолит FR4. Его достоинства:

хорошие диэлектрические свойства, стабильность характеристик и размеров,

высокая устойчивость к воздействию неблагоприятных климатических

условий.

Во многих случаях, где требуются достаточно простые печатные платы

(при производстве бытовой аппаратуры, различных датчиков, некоторых комплектующих к автомобилям и т.п.), превосходные свойства стеклотекстолита оказываются избыточными, и на первый план выходят показатели технологичности и стоимости. В таких случаях обычно используют фольгированные гетинаксы (основа из целлюлозной бумаги,

пропитанной фенольной смолой) иностранного производства – XPC, FR1,

FR2, или отечественного - ГФ-1-35, ГФ-2-35, ГФ-1-50 и ГФ-2-50.

Гетинакс и стеклотекстолит выпускаются покрытыми медной фольгой с

67