3. Печатные платы / Методичка 2к
.pdfэлектропроводность; малая прочность сцепления проводников с основанием;
меньшая по сравнению с химическим травлением электропроводность и рыхлость гальванического слоя меди; для гальванического меднения необходим замкнутый контур проводников из технологических проводников,
которые после металлизации необходимо удалить.
4. Комбинированный способ. Проводники получают путем травления фольгированного диэлектрика, а металлизацию отверстий осуществляют электрохимическим способом. Существуют два комбинированных способа:
позитивный и негативный. При негативном – технологический процесс сначала полностью повторяет технологический процесс химического травления, а затем производится металлизация отверстий электрохимическим способом (химическое осаждение серебра, меди и гальваническое меднение).
Негативный способ сейчас применяется редко из-за необходимости получения замкнутого контура проводников для гальванического меднения.
Основные этапы позитивного комбинированного способа:
нанесение на просверленную заготовку из фольгированного материала негативного рисунка проводников;
химическое осаждение молекулярной пленки серебра в монтажные отверстия;
химическое меднение монтажных отверстий;
гальваническое меднение монтажных отверстий;
гальваническое серебрение проводников и монтажных отверстий;
снятие задубленной эмульсии фоторезиста;
химическое травление незащищенной осажденным серебром меди в растворе хлорного железа;
химическое осветление серебра после травления.
При комбинированном позитивном способе не требуется прошивка отверстий перед гальваническими процессами, обеспечивается хорошая адгезия проводников с основанием печатной платы, не обязательно лужение проводников в конце технологического процесса (так как они покрыты слоем
78
гальванического серебра). Комбинированный позитивный способ является
основным при изготовлении двусторонних печатных плат.
8. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ КОНСТРУИРОВАНИЯ БЛОКОВ
РАДИОАППАРАТУРЫ НА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ
При проектировании РЭА на печатных платах при учете возможностей производства и условий эксплуатации могут использовать следующие методы конструирования: моносхемный, схемно-узловой и функционально-узловой.
1.Моносхемный метод. Вся принципиальная схема изделия располагается на одной печатной плате (портативный транзисторный приемник). При этом методе выход из строя одного элемента нарушает работу всего устройства. Замена элементов затруднена. Метод применяется редко.
2.Схемно-узловой метод. На одной печатной плате располагается часть полной принципиальной схемы, имеющая четко выраженные входные и выходные характеристики. Например, узел УПЧ и УНЧ. Ремонтоспособность велика. Можно унифицировать изделия, сложность конструирования невысока. Однако стойкость к механическим нагрузкам невысока.
Отсутствует коммутирующая печатная плата, что вынуждает использовать сложное соединение жгутами.
Метод применим для изделий массового применения, где важна экономичность, а условия эксплуатации не жестки.
3. Функционально-узловой метод является универсальным для РЭА почти всех назначений. Основные преимущества, следующие: можно проектировать изделия из отдельных функциональных узлов, проектирование просто, стойкость к механическим нагрузкам высока, менее надежные каскады размещают на отдельных платах.
Недостатки метода: так как функциональные узлы устанавливаются на коммутирующую печатную плату, имеется большое число межплатных соединений, повышающих общий вес изделий.
В большинстве случаев в настоящее время используется этот
79
функционально-узловой метод конструирования.
9. МНОГОСЛОЙНЫЕ ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ (МПП) [1-6]
Применение интегральных микросхем (ИС), выполняющих одну функцию, значительно усложнило трассировку монтажных соединений на печатной плате. ИС являются многополюсными навесными элементами с тесно расположенными выводами. Поэтому монтажные печатные соединения не удается расположить на однослойных и двухслойных платах.
Необходимо применять многослойные печатные платы (МПП).
Изготавливают МПП либо методом попарного прессования, либо методом послойного наращивания. Метод попарного прессования основан на попарном совмещении отдельно изготовленных двусторонних фольгированных плат с металлизированными в каждой плате сквозными отверстиями. Толщина изоляционной прослойки равняется 0,1 мм.
Число слоев в МПП более 6-8 нежелательно, так как с их увеличением возрастет процент брака. Чаще ограничиваются четырехслойной платой.
Общая толщина МПП выбирается с учетом требований механической прочности и обеспечивается необходимым подбором толщины фольгированного и изоляционного материалов.
Размер многослойных печатных плат не рекомендуется делать больше
450x350 мм.
Печатные проводники распределяют по слоям в зависимости от функций в электрической схеме. Например, все проводники питания сосредотачиваются в одном слое.
Для уменьшения емкостных паразитных связей проводники соседних прилегающих слоев должны быть взаимно перпендикулярны.
Для печатных плат с более, чем четырьмя слоями, существует общее правило располагать высокоскоростные сигнальные проводники между полигонами земли и питания, а низкочастотным отводить внешние слои.
При методе изготовления МПП послойным наращиванием производят
80
электрохимическое осаждение металла для печатного рисунка поочередно на каждом слое.
После осаждения металла в данном слое его заклеивают перфорированной изоляционной пленкой, поверх которой осаждают следующий слой металла.
Отверстия в пленке приходятся на контактные площадки для наращивания в них металлических соединительных столбиков.
При использовании плат для соединения ИС, выводы которых рассчитаны не на пайку, а на сварку внахлест, должны быть предусмотрены не отверстия, а контактные площадки в верхнем наружном слое.
Чем больше микросхем на одной печатной плате, тем сложнее и труднее ее разработка. Важно получить минимальное число слоев.
Чем меньше слоев в МПП, тем ниже трудоемкость изготовления, ниже процент брака, выше надежность в эксплуатации, проще ремонт.
Кроме числа слоев, критерием оптимизации является минимальная длина соединительных проводников, минимальная паразитная емкость.
Для сложной МПП поиск оптимальной топологии вручную одним человеком по методу проб и ошибок на основе опыта и интуиции может занимать десятки дней. В этом случае необходимо использовать ЭВМ.
По мере увеличения степени интеграции ИС и перехода на большие интегральные схемы (БИС) коммутационная нагрузка переходит с печатной платы на БИС. Поэтому в будущем коммутационная нагрузка на печатные платы будет уменьшаться. Оптимум может быть при МПП с четырьмя слоями.
10. ОТВЕРСТИЯ В ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ [11]
При производстве печатных плат в них используются отверстия, с
различным назначением, такие как: механические отверстия, компонентные отверстия и переходные отверстия.
1. Механические отверстия. Обычно печатная плата крепится к корпусу или к ней крепятся различные механические элементы или объекты, например
81
разъемы или вентиляторы. Для надежного монтажа таких элементов требуются крепежные отверстия на печатной плате. Эти отверстия могут быть как без, так и с металлизацией, например, для заземления корпуса. В
некоторых случаях монтажные отверстия используются для отвода тепла от термонагруженных компонентов на поверхность печатной платы. Еще одно предназначение механических отверстий – обеспечение технологической помощи при изготовлении платы. Эти отверстия часто называют
«инструментальными отверстиями». Они используются для выравнивания платы на автоматизированном производственном оборудовании.
2. Компонентные отверстия. Большинство активных и дискретных компонентов на печатных платах сейчас это детали для поверхностного монтажа (SMD), однако существуют компоненты, которые по-прежнему предпочтительнее монтировать в сквозные отверстия. Эти компоненты, как правило, представляют собой разъемы, переключатели и другие механические детали, которые требуют более надежного монтажа. Кроме того,
использование выводных компонентов обычно предпочтительно для силовых элементов, таких как большие резисторы, конденсаторы, операционные усилители и регуляторы напряжения из-за большого тока и необходимости хорошей теплопроводности.
3. Переходные отверстия (Via). По мере увеличения сложности схемы и повышения плотности расположения элементов на печатной плате возникает необходимость обеспечения контакта печатных проводников на разных слоях печатной платы для передачи электрических сигналов, питания и заземления.
Для обеспечения такого контакта используются отверстия с металлизацией – переходные отверстия. Такие отверстия бывают разных типов в зависимости от назначения:
•Сквозные отверстия – стандартные переходные отверстия, которые проходят через все слои печатной платы от самого верхнего до самого нижнего. Эти переходные отверстия могут подключаться к дорожкам или полигонам на любом количестве внутренних слоев.
82
•Скрытые отверстия (buried via) – переходные отверстия, которые начинаются и заканчиваются на внутренних слоях платы, не выходя на внешние слои. Такая конструкция занимает гораздо меньше места, по сравнению со стандартным сквозными переходными отверстиями, что делает их очень полезными в печатных платах с межсоединениями высокой плотности (HDI). Однако их изготовление намного дороже.
•Глухие или слепые отверстия (blind via) – такие отверстия начинается на внешнем слое, но проходят только частично через плату. Как и скрытые переходные отверстия, их изготовление дороже по сравнению со сквозными, но они освобождают место для разведения дорожек, а их меньшая глубина, может помочь улучшить целостность сигнала в высокоскоростных линиях передачи.
•Микроотверстие (Micro-via) – это переходное отверстие с меньшим размер, чем другие, потому что оно выполнены лазером или сверлением с контролем глубины. Глубина таких отверстий, обычно, два слоя из-за трудностей с нанесением покрытия. Эти переходные отверстия необходимы для плат высокой плотности или устройств с мелким шагом выводов (например BGA), для которых требуется, чтобы их переходные отверстия были встроены в контактные площадки.
11. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ
ПЛАТ [7-8]
При машинном проектировании МПП в алгоритме оптимизации заложено основное требование, заключающееся в обеспечении минимальной суммарной длины всех проводников.
Выполнение этого требования гарантирует сокращение времени задержки и взаимных наводок, увеличивает экономичность плат и позволяет уменьшить их размеры. Но при этом элементы нужно распределять по плате равномерно, некоторые элементы следует удалять друг от друга на необходимое расстояние.
83
Необходимо обеспечить благоприятные условия для теплоотвода.
Составление алгоритмов производят на основе теории графов, линейного программирования и других разделов прикладной математики.
Автоматизация процесса проектирования печатных плат, кроме сокращения времени проектирования, позволяет повысить и качество проектирования вследствие исключения ошибок, вносимых проектировщиком.
Однако вышесказанное не исключает необходимость умения радиоинженером производить проектирование печатной платы, особенно при разработке и макетировании.
12. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УМЕНЬШЕНИЮ НАВОДОК В
АППАРАТУРЕ НА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ С МИКРОСХЕМАМИ
[1,2,4,8]
Если время переключения устройств много больше времени распространения электромагнитных волн вдоль шин питания и линий передачи сигналов, т.е. когда время распространения можно не учитывать, то можно отдельно рассматривать емкостные (электрические) и магнитные связи. В противном случае необходимо рассматривать электромагнитные связи.
Для уменьшения индуктивности шин питания и связанной с этим пульсацией питания необходимо пары шин, через которые подводится питание к каждому элементу или группе элементов, включать параллельно, а
не последовательно. С этой же целью желательно одну шину заменить общей шиной, выполненной в виде проводящей плоскости.
Для уменьшения воздействия электромагнитных помех на аппаратуру с ИС необходимо выполнять следующие практические рекомендации.
1.У каждой ИС параллельно шине питания подключать конденсатор
С= 0,01 мкФ. Для ТТЛ ИС, представляющих собой токовые приборы с малым входным сопротивлением и чувствительных к разности потенциалов между
84
отдельными ИС из-за паразитных токов, включают один танталовый блокирующий конденсатор С = 6,8 мкФ на группу из 15 ИС.
МОП ИС управляются напряжением и имеют высокое входное сопротивление. Поэтому они особенно чувствительны к измеряемым помехам.
У них необходимо блокировать те выходы, которые управляют К/МОП приборами, переключаемыми фронтами. Емкость конденсаторов выбирается минимально возможная.
2. Ширина соединительных проводников должна быть достаточно большой, не менее 80% от минимальной ширины контактных площадок.
Ширина шина питания должна быть не менее чем в 2-3 раза больше стандартных дорожек, например, для ТТЛ ИС не менее 2,5 мм.
3.Земляная шина (земляная плоскость) не должна использоваться для передачи мощности, а для этого необходимо иметь отдельный общий проводник (обратный провод источника питания), который должен быть соединен с землей лишь в одной точке. В противном случае образуется замкнутый, контур, излучающий наводки в схему. То есть цепь питания не должна проходить по корпусу.
4.В качестве земляной шины следует использовать полигоны, который закрывает все свободное место на печатной плате.
5.Разделение земли на аналоговую и цифровую части – один из простейших и наиболее эффективных методов подавления шума. Разделение не означает электрической изоляции аналоговой от цифровой земли. Они должны соединяться вместе в каком-то одно, низкоимпедансном узле.
Правильная, с точки зрения земли, система имеет только одну землю, которая является выводом заземления для систем с питанием от сетевого переменного напряжения или общим выводом для систем с питанием от постоянного напряжения (например, аккумулятора).
6. Нельзя оставлять свободные входы. В ТТЛ ИС их необходимо подключать к отрицательной шине питания или к положительной шине через резистор 1 кОм.
85
ВМОП ИС свободные входы подключаются, соответственно, к
положительной или отрицательной шинам.
ВМОП ИС включают последовательно в цепь питания перед блокировочным конденсатором источника питания резистор 1 Ом для развязки от высокочастотных наводок по цепи питания.
13. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Конструирование печатных плат с помощью систем автоматического проектирования (САПР) является основным способом проектирования печатных плат на данный момент, поэтому получение студентами данных навыков становится необходимым.
Исходными данными для трассировки печатных плат являются электрическая схема и выбранная система модулей и компонентов, в качестве которых обычно используются интегральные схемы.
При машинном конструировании работа осуществляется шагами или циклами; за один цикл либо определяется очередной отрезок трассы, либо выявляется возможность проведения пути по различным направлениям.
Печатная плата заменяется геометрической моделью в ограниченном двумерном пространстве.
С математической точки зрения задача трассировки – это задача выбора оптимального решения из огромного числа вариантов. Данная задача является трудоемкой из-за многообразия способов конструктивно-технологической реализации соединений, для каждого из которых применяются различные ограничения и критерии оптимизации.
Результат трассировки представлен топологией электрических соединений между контактными элементами, к которым припаиваются выводы модулей и контакты разъемов.
Исходными данными для трассировки служат схема электрическая принципиальная и координаты взаимного расположения модулей на плате. В
86
пространстве платы имеется ряд некоторым образом расположенных непересекающихся совокупностей элементов. Требуется соединить элементы внутри каждой группы, обеспечив:
•соответствие схеме электрической принципиальной;
•наименьшую длину пути (для минимизации наводок и времен задержки сигналов);
•минимальность пересечений трасс печатных проводников;
•равномерность распределения соединений на трассе.
В настоящее время применяют различные алгоритмы трассировки:
волновой алгоритм и его модификации (основаны на идеях С.И. Ли), лучевой алгоритм, канальный алгоритм, маршрутные алгоритмы. Маршрутный алгоритм, как и лучевой, позволяет находить около 80% трасс на печатной плате за несколько минут, т.е. экономичнее, чем волновой.
Все эти алгоритмы можно разделить на 3 большие группы, каждая из которых обладает своими достоинствами и недостатками:
1)Волновые алгоритмы.
Достоинства:
+позволяют легко учитывать технологическую специфику печатного монтажа со всей совокупностью конструктивных ограничений;
+всегда гарантируют построение трассы, если путь для нее существует.
Недостатки:
- малое быстродействие и большой объем требуемой оперативной памяти.
Получили широкое распространение в современных САПР.
2)Ортогональные алгоритмы.
Достоинства:
+большое быстродействием;
+реализация их на ЭВМ требует в 75–100 раз меньше вычислений по
сравнению с волновыми алгоритмами.
87