2.6. Конструкции печатных плат, гибких

ШЛЕЙФОВ И КАБЕЛЕЙ

Введем ряд определений по ГОСТ 20406-75.

Печатная плата (ПП)– материал основания, вырезанный по размеру, содержащий необходимые отверстия и по меньшей мере один проводящий рисунок.

Рисунок ПП – конфигурация проводникового и/или диэлектрического материалов на ПП.

Проводящий рисунок – рисунок ПП, образованный проводниковым материалом.

Непроводящий рисунок – рисунок ПП, образованный диэлектрическим материалом.

Основание ПП – элемент конструкции ПП, на поверхности или в объеме которого выполнен проводящий рисунок.

Материал ПП – материал, на котором выполнен рисунок ПП.

Печатный узел – ПП с присоединенными к ней навесными элементами, включая механические, и/или другими печатными платами и со всеми выполненными процессами обработки (пайкой, покрытием и т. д.).

Объединительная ПП – ПП, предназначенная для соединения 2-х или более печатных узлов.

Печатный проводник – одна проводящая полоска или площадка в проводящем слое.

Печатный монтаж – способ монтажа, при котором электрические соединения элементов электронного узла, включая экраны, выполнены с помощью печатных проводников.

Печатный элемент – элемент (например, индуктивность, резистор, емкость и т. д.), выполненный с применением печати.

Печатная схема – схема, полученная путем печати и включающая печатные элементы, проводящий рисунок или их комбинацию, образованные в конструкции или подсоединенные к поверхности общего основания.

Проводящий слой ПП – проводящий рисунок, лежащий в одной плоскости.

Подтравливание печатного проводника – канавка или выемка у одного края проводника, вызванная процессом травления.

Свободное место ПП – участки ПП, где элементы проводящего рисунка и расстояния между ними могут быть выполнены номинальной величиной.

Узкое место ПП – участок ПП, где элементы проводящего рисунка и расстояния между ними могут быть выполнены только с минимально допустимыми значениями.

Контактная площадка ПП – часть проводящего рисунка, используемая для соединения или подсоединения элементов ЭС.

Гарантированный поясок контактной площадки – минимально допус-тимая ширина контактной площадки отверстия ПП в узком месте.

Толщина ПП – толщина материала основания ПП, включая проводящий рисунок (рисунки).

Суммарная толщина ПП – толщина ПП и дополнительного химического или гальванического покрытий, которые являются составной частью ПП.

Оригинал рисунка ПП – изображение рисунка ПП, выполненное с любой точностью в заданном масштабе.

Координатная сетка чертежа ПП – сетка, определяющая положение элементов рисунка ПП в прямоугольной или полярной системе координат.

Печатные платы — основа печатного монтажа любых ЭС, при котором МС, полупроводниковые приборы, ЭРЭ и элементы коммутации устанавливаются на изоляционное основание с системой токопроводящих полосок металла (проводников), которыми они электрически соединяются между собой в соответствии с электрической принципиальной схемой. Практически нет такой аппаратуры, где бы не использовались ПП какого-либо типа.

Печатный монтаж — способ монтажа, при котором электрическое соединение элементов электронного узла, включая экраны, выполнено с по­мощью печатных проводников. Печатный проводник — проводящая по­лоска в проводящем рисунке.

В ЭС применяют ПП практически на всех уровнях конструктивной иерархии: на нулевом — в качестве основания гибридных схем и микросбо­рок, на первом и последующих — в качестве основания, механически и электрически объединяющего все элементы, входящие в схему электриче­скую принципиальную ЭС и ее узлов.

Государственным стандартом предусмотрены следующие типы ПП:

- односторонняя печатная плата (ОПП) — ПП, на одной стороне ко­торой выполнен проводящий рисунок;

- двусторонняя печатная плата (ДПП) — ПП, на обеих сторонах которой выполнены проводящие рисунки и все требуемые соединения;

- многослойная печатная плата (МПП) — ПП, состоящая из чере­дующихся слоев изоляционного материала с проводящими рисунками на двух или более слоях, между которыми выполнены требуемые соедине­ния;

- гибкая печатная плата (ГПП) — ПП, имеющая гибкое основание;

- гибкий печатный кабель (ГПК) — система параллельных печатных проводников, размещенных на гибком основании.

Проводящий рисунок — совокупность всех элементов на отдельном слое ПП, образованных проводящим материалом (печатные проводники, контакт-ные площадки, концевые контакты печатного разъема и др.).

Конструкции печатных плат характеризуются группой пара­метров: структурных, геометрических и электрических.

К структурным параметрам относятся общее число слоев и их конструкция (односторонние и двусторонние). Структуру конст­рукции печатной платы образуют элементы конструкции: соеди­нительные проводники и зазоры между ними; контактные пло­щадки и зазоры между ними и соединительными проводниками; технологические, монтажные, крепежные и металлизированные отверстия; посадочные места под ЭРЭ и электрические соединители; экраны; вырезы в экранах. Форма металлизированных отвер­стий, как правило, выбирается круглая; форму остальных элемен­тов желательно выбирать прямоугольной или состоящей из прямоугольников, соединенных различными способами.

К геометрическим параметрам относятся ширина печатных провод-ников на сигнальных слоях и зазоров между проводниками, диаметры металлизированного отверстия и зенковки; ширина зазора между металлизированными отверстиями и между отверсти­ями и проводниками; расстояние между сигнальными и потенциальными слоями, в частности между слоями питания и земли; шаг сетки и ширина проводников на потенциальных слоях; толщина печатной платы заданной структуры и ее отклонение от номинала.

К электрическим параметрам относятся погонное сопротивление и погонная емкость (или волновое сопротивление) печатных про­водников на сигнальных слоях; коэффициент связи между печат­ными проводниками, определяемый уровнем взаимных помех. Электрические параметры печатных плат рассматриваются в [7], [11].

Все параметры конструкции печатных плат взаимосвязаны. Элект-рические параметры определяют требования к трассировке, геометрическим параметрам сигнальных проводников и расположе­нию сигнальных и потенциальных слоев относительно друг друга. При отсутствии требований к электрическим параметрам печатных плат, что характерно, например, для низкочастотных устройств ЭС, число слоев и их расположение полностью зависят от техно­логического процесса изготовления печатных плат. При выборе структуры печатных плат устройств среднего и высокого быстро­действия наиболее важным является обеспечение электрических параметров. Как правило, в этом случае используют многослойные печатные платы.

Структура многослойных печатных плат может быть рассмот­рена как множество отдельных и независимых потенциальных, сигнально-потен-циальных и технологических звеньев. Расположение и характер печатного рисунка потенциальных и технологических звеньев практически не влияют на характер сигнальных проводни­ков. Потенциальные звенья находятся в многослойных печатных платах между сигнально-потенциальными звеньями. Их применяют в конструкциях плат при относительно большом числе источни­ков питания или при необходимости дублирования некоторых по­тенциальных слоев для увеличения трассировочной площади при больших потребляемых токах. Наличие технологических слоев, располагаемых с наружных сторон многослойной печатной платы, определяется, как правило, особенностями технологического про­цесса изготовления многослойных печатных плат.

Основными структурными звеньями в многослойных печатных платах являются сигнально-потенциальные. Они могут быть с одним или двумя потенциальными слоями и с двусторонним расположением относительно сигнальных слоев. Потенциальные слои сигнально-потенциальных звеньев в структуре многослойных печатных плат являются смежными и располагаются рядами. Следовательно, сокращая расстояние между звеньями, можно по­лучить минимальное сопротивление цепей питания. Другие элект­рические требования, например минимальная индуктивность це­пей заземления, могут обеспечиваться соответствующим рисунком слоя.

Число сигнальных слоев в сигнально-потенциальных звеньях не превышает двух, так как во избежание перекрестных помех печатные проводники прокладываются в разных слоях под пря­мым углом, чтобы не располагаться один непосредственно под другим. В этом случае взаимная емкость сигнальных проводни­ков оказывается минимальной. Минимальна она и при уменьше­нии ширины печатного проводника, что позволяет развести соеди­нения более сложной схемы в меньшем числе слоев. Однако уменьшение ширины печатного проводника сказывается на требо­ваниях к точности изготовления печатной платы.

По точности выполнения печатных элементов конструкции все ПП делят на пять классов (табл. 20), отличающихся наименьшим номинальным размером в узком месте — участке ПП, где элементы печатного проводящего рисунка и расстояния между ними должны быть выполнены только с минимально допустимы­ми значениями. 1-й и 2-й классы ПП применяют в случае малой насы­щенности поверхности ПП дискретными элементами и микросхемами малой степени интеграции; 3-й класс ПП — для микросхем со штыревыми и планарными выводами при средней и высокой насыщенности поверх­ности ПП элементами; 4-й класс ПП — при высокой насыщенности поверх­ности ПП микросхемами с выводами и без них; 5-й класс ПП — при очень высокой насыщенности поверхности ПП элементами с выводами и без них. Для поверхностного монтажа элементов используют в основном 4-й и 5-й классы ПП. На одной пе­чатной плате могут располагаться элементы проводящего рисун­ка разных классов. В этом случае печатная плата относится к более высокому классу.

В конструкторской документации на ПП должно содержаться указание на соответствующий класс, который обусловлен уровнем технологического оснащения производства. Поэтому выбор класса точности всегда связан с конкретным производством.

Печатные платы 3-го класса наиболее распространенные, поскольку, с одной стороны, обеспечивают достаточно высокую плотность трассировки и монтажа, а с другой – для их производства требуется рядовое, хотя и специализированное, оборудование.

Печатные платы 4-го класса выпускаются на высокоточном обору-довании, но требования к материалам, оборудованию и помещениям ниже, чем для 5-го класса.

Изготовление печатных плат 5-го класса требует применения уникаль-ного высокоточного оборудования, специальных, как правило, дорогих матери-алов, безусадочной фотопленки и даже создания в производственных помеще-ниях «чистой зоны» с термостатированием. Таким требованиям отвечает далеко не каждое производство. Но ПП небольшого размера могут выпол-няться по 5-му классу на оборудовании, обеспечивающем получение плат 4-го класса.

Таблица 20

Классы точности ПП по ГОСТ 23.751-86

Условное обозначение	Номинальное значение основных параметров для класса точности, мм
	1	2	3	4	5
	0,75	0,45	0,25	0,15	0,10
	0,75	0,45	0,25	0,15	0,10
	0,30	0,20	0,10	0,05	0,025
	0,40	0,40	0,33	0,25	0,20
(без покрытия)	0,15	0,10	0,05	0,03	0…-0,03
(с по-крытием)	+0,25 -0,20	+0,15 -0,10	0,10	0,05	0,03
(ОПП, ДПП, ГПК и МПП – наружные слои)	0,15	0,10	0,05	0,03	0,03
(МПП-внутренние слои)	0,20	0,12	0,10	0,05	0,03

В таблице: t – ширина печатного проводника; S – расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка; b – гарантированный поясок; f – отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных отверстий к толщине ПП; - предельное отклонение ширины проводника;- позиционный допуск расположения печатного проводника.

Выпуск печатных плат 2-го и 1-го классов осуществляется на рядовом оборудовании, а иногда даже на оборудовании, не предназначенном для изготовления ПП. Такие ПП с невысокими (и даже с низкими) конструктивными параметрами предназначены для недорогих устройств с малой плотностью монтажа.

За рубежом принята другая классификация ПП по уровню точности. В ней регламентируются не только конструктивные параметры, но и шаг трассировки, что фактически связывает уровень производства с параметрами ПП и степенью интеграции элементной базы.

Плотность проводящего рисунка гибкого печатного шлейфа или кабеля определяется шагом расположения печатных провод­ников, который может быть равным 1,25 или 2,5 мм в метрической системе (1,27 и 2,54 мм в дюймовой). Максималь­ные размеры гибких печатных шлейфов кабелей составляют 150 Х 400 мм, при этом допустимый радиус изгиба гибкого печатно­го кабеля должен быть не менее 10, а гибкого шлейфа — не ме­нее 1,5 мм. Толщина гибкого печатного шлейфа или кабеля лежит в пределах от 0,02...0,3 мм. Толщина многослойной печатной пла­ты определяется числом слоев, прокладок из стандартных мате­риалов и технологией их склеивания. Суммарная толщина склеи­вающих прокладок между смежными слоями обычно выбирается не тоньше двух толщин проводников, расположенных на внутрен­них слоях.

Печатные проводники, как правило, выполняются одинаковой ширины на всем их протяжении. В виде исключения проводники сужают до минимально допустимых значений на небольшой дли­не в «узких» местах и в местах перекрестий проводников различ­ных слоев. Рекомендуется не размещать проводники на мини­мально допустимом расстоянии от других печатных элементов. Если существует возможность, то необходимо исполь-зовать про­водники максимальной ширины. При этом проводники шириной более 3 мм разрабатываются по правилам выполнения экранов.

Ширину печатных проводников рассчитывают и выбирают в зависимости от допустимой токовой нагрузки, свойств токопроводящего материала, температуры окружаю­щей среды при эксплуатации. Края проводников должны быть ровны­ми, проводники — без вздутий, от­слоений, разрывов, протравов, пор, крупнозернистости и трещин, так как эти дефекты влияют на сопро­тивление проводников, плотность тока, волновое сопротивление и скорость распространения сигналов.

Расстояние между элементами проводящего рисунка (например, ме­жду проводниками), расположенными на наружных или в соседних слоях ПП, зависит от допустимого рабочего напряжения, свойств диэлектрика, условий эксплуатации и связано с помехоустойчивостью, искажением сиг­налов и короткими замыканиями.

Экраны могут выполняться на внешних и внутренних слоях. Как правило, их делают с вырезами, площадь которых может до­стигать половины общей площади слоя. Эти вырезы могут иметь прямоугольную форму, форму овала, круга или сетки. Для внут­ренних экранов предпочтительной является форма сетки. Если в зону экрана попадает отверстие, электрически с ним не связан­ное, то вокруг такого отверстия выполняется кольцевой или пря­моугольный вырез. Отверстия, электрически связанные с экраном и попавшие в окна экранной сетки, соединяются с ним печатны­ми проводниками.

Координатная сетка чертежа ПП необходима для координации эле­ментов печатного рисунка. В узлах пересечений сетки располагаются мон­тажные и переходные отверстия. Шаги координатной сетки определяются ГОСТ Р 510040-97. Координатная сетка – ортогональная сетка из двух параллельных равноудаленных линий, определяющих места расположения соединений на ПП. Шаг координатной сетки – расстояние между двумя соседними параллельными линиями координатной сетки. Узел координатной сетки – пересечение двух линий координатной сетки. Основным шагом координат­ной сетки принят размер 0,5 мм в обоих направлениях. Если этот шаг не удовлетворяет требованиям конкретной конструкции, можно применять шаг, равный 0,05 мм. При использовании микросхем и элементов с шагом выводов 0,625 мм допускается применение шага координатной сетки 0,625 мм. При необходимости применения координатной сетки с шагом, отличным от основных, шаг ее должен быть кратным основным шагам координатной сетки. Кратный шаг определяется умножением основного шага сетки на модуль n, который составляет целое число 1, 2, 3... . В настоящее время основными шагами приняты дюймовые. Однако их построение аналогично приведенному выше, и, кроме того, можно использовать рассмотренные выше метрические.

Согласно ГОСТ 10317-79 «Платы печатные. Основные размеры» размеры каждой стороны ПП должны быть кратными:

- 2,5 при длине до 100 мм;

- 5,0 при длине до 350 мм;

- 10,0 при длине более 350 мм.

Максимальный размер любой из сторон должен быть не более 470 мм.

Линейные размеры ОПП, ДПП и МПП на жестком основании приведены в табл. 21 в соответствии с ОСТ 4.010.20-83. Допуски на линейные размеры ПП должны соответствовать установленным стандартам ГОСТ 25346-82 и ГОСТ 25347-82. Соотношение линейных размеров сторон не более 3:1. Количество типоразмеров ПП в одном изделии следует ограничивать. ОСТ 4.070.010-78 содержит указания по выбору диаметров отверстий и контактных площадок под выводы устанавливаемого элемента [11].

Диаметры монтажных и переходных отверстий (металлизированных и неметаллизированных) должны соответст­вовать ГОСТ 10317-79 и выбираться из ряда 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4; 2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3,0. Монтаж­ные отверстия предназначены для установки микросхем и ЭРЭ, а переходные отверстия — для электрической связи между слоями или сторонами ПП. Более подробно этот материал приведен в [11].

Для простановки размеров групповых контактных площадок много-выводных ЭРЭ изображение контактной группы приводится на поле чертежа, причем контактная площадка под первый вывод многовыводного ЭРЭ выпол-няется отличной от остальных, как показано на рис. 64 [7].

Проводники, ширина которых менее 2 мм на чертежах (в масштабе), обыч­но изображаются сплошной линией, толщина которой равна двум толщинам контурных линий.

Проводни­ки, экраны и другие элементы, ширина которых более 2 мм на чертеже, за­штриховываются под углом 45°. Если же чертежи выполняются для размножения фотокопированием или электрографическим ко­пированием, то изображения широких печатных проводников и других элементов проводящего рисунка полностью зачерняются. В некоторых случаях контактные площадки, примыкающие к проводникам, изображенным утолщенной линией, не заштриховыва­ются.

Таблица 21

Линейные размеры ПП

При изображении проводников рекомендуется по возможности избегать острых углов около контактных площадок, излишней металлизированной поверхности, что допускается толь­ко при изготовлении печатных плат химическим методом.

Печатные платы ячеек соединяются через объединительные пе­чатные платы, гибкими шлейфами или кабелями. Тканые и сп­рессованные кабели делают из тех же проводов, что и жгуты. Плоская форма этих изделий позволяет более рационально ис­пользовать внутренний объем корпуса блока. Гибкие печатные шлейфы изготовляются по той же технологии, что и печатные платы, однако более пластичная основа позволяет изгибать их под очень острым углом для осуществления соединения двух па­раллельно располо-женных печатных плат ячеек.

Как и микросхемы, в корпусах со штырьковыми выводами гибкие печатные шлейфы первого варианта устанавливаются с одной стороны печатной платы. Все остальные гибкие печатные шлейфы можно помещать с двух сторон печатной платы. Печат­ные тканые и спрессованные гибкие кабели устанавливаются только с одной стороны печатной платы, поскольку их жилы при­соединяются с использованием металлизированного отверстия. Шаг расположения отверстий под распайку жил тканых и спрес­сованных кабелей на печатной плате, как правило, выбирается кратным 2,5 мм, откуда следует, что разрешающая способность соединений тканым или спрессованным кабелем ниже, чем соеди­нений гибким печатным шлейфом.

Рис. 64. Расположение ИС с планарными выводами на печатной плате: 1 – контактная площадка; 2 – корпус ИС; 3 – печатная плата; 4 – первый вывод; 5 – контактная площадка под первый вывод

Рис. 65. Гибкий печатный шлейф с металлизированными

контактными площадками и отверстиями

Рис. 66. Гибкий печатный кабель: 1 – печатная плата; 2 – колодка;

3 – шлейф

По конструктивному оформлению и способам присоединения к печат-ным платам гибкие печатные шлейфы могут быть выпол­нены в нескольких вариантах [7]. К первому относятся гибкие печат­ные шлейфы, оканчивающиеся металлизированными контактными площадками с отверстиями (рис. 65). Шлейфы устанавлива­ются и запаиваются на штыри (контакты), расположенные на печатной плате или колодке, как показано на рис. 66. Шлейфы совместно с колодкой образуют печатный кабель. Ко второму варианту относятся гибкие печатные шлейфы, оканчивающиеся метал-лизированными контактными площадками, которые после сов­мещения припаиваются к контактным площадкам печатной пла­ты. Такой шлейф приведен на рис. 67. Наконец, к третьему вари­анту относятся гибкие печатные шлейфы, оканчивающиеся кон­тактными лепестками, которые припаиваются к контактным пло­щадкам печатной платы. Эти шлейфы могут иметь однорядные (рис. 68, а) и двухрядные (рис. 68, б) контактные лепестки.

Рис. 67. Гибкий печатный шлейф с металлизированными

контактными площадками

Гибкие печатные шлейфы с металлизированными контактными площадками на конце выдерживают большие механические воздей­ствия. Однако разрешающая способность технологии их изготовле­ния невелика, и они используются при малом числе соединений. При большом числе выходных контактов с печатных плат необхо­димо использовать гибкие печатные шлейфы, оканчивающиеся металлизированными контактными площадками без отверстий, или шлейфы с контактными лепестками на конце. Такие кабели обя­зательно крепятся в зоне электрического присоединения к печат­ным платам с помощью прижимной планки или скобы, как пока­зано на рис. 69 и 70.

Рис. 68. Гибкий печатный шлейф с однорядным (а) и двухрядным (б) расположением контактных лепестков

Рис. 69. Гибкий печатный шлейф с планкой: 1 – печатная плата; 2 –

шлейф; 3 – планка

Рис. 70. Гибкий печатный шлейф со скобкой: 1 – печатная плата; 2 – шлейф; 3 – скоба; 4 – прокладка