УДК 621.396:002.9(7) К74

Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Компьютерные технологии в приборостроении» подготовлен в рамках инновационной образовательной программы «Информатизация и автоматизированные системы управления», реализованной в ФГОУ ВПО СФУ в 2007 г.

Рецензенты:

Красноярский краевой фонд науки; Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин

Кофанов, Ю. Н.

К74 Автоматизация проектирования РЭС. Топологическое проектирование печатных плат. Версия 1.0 [Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие / Ю. Н. Кофанов, А. В. Сарафанов, С. И. Трегубов. – Электрон. дан. (4 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2008. – (Компьютерные технологии в приборостроении : УМКД № 49-2007 / рук. творч. коллектива А. В. Сарафанов). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 4 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf).

ISBN 978-5-7638-0866-7 (комплекса)

ISBN 978-5-7638-1350-0 (пособия)

Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802720 от 19.12.2008 г. (комплекса)

Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Компьютерные технологии в приборостроении», включающего учебную программу, учебное пособие «Компьютерные технологии в приборостроении. Основы математического и методического обеспечения», учебное пособие «Основы применения CALS-технологий в электронном приборостроении», учебное пособие «Основы проектирования электронных средств: Техническое задание. Формирование и анализ», лабораторный практикум, приложение к лабораторному практикуму (демоверсия системы OrCAD, файлы проектов для системы OrCAD, варианты заданий к ряду лабораторных работ, интерактивное электронное техническое руководство к АПК УД «Тракт усиления звуковой частоты», интерактивное электронное техническое руководство к АПК УД «Электроника», демоверсия программного комплекса ТРиАНА, справочник «Интенсивности отказов ЭРЭ»), методические указания по курсовому проектированию, методические указания по самостоятельной работе, контрольно-измерительные материалы (банк тестовых заданий и перечень вопросов, выносимых на экзамен) и презентационные материалы, приложение к комплексу (программа оптимизации размещения элементов на монтажном пространстве методом попарных перестановок по критерию минимума суммарной длины сигнальных связей, программа оптимизации разбиения схемы электрической на части, выполняемые на отдельных конструктивах, видеофрагмент «Резонансные явления в электронной аппаратуре»).

Рассмотрены организационные и методологические вопросы применения компьютерных технологий в процессе разработки приборов и систем, основы системного подхода при разработке приборов и систем средствами компьютерных технологий, вопросы унификации расчетных моделей, математические аспекты теории чувствительности, особенности моделирования электрических, тепловых

и механических процессов в приборах и системах, разработки и применения типовых методик анализа и обеспечения различных характеристик приборов и систем.

Предназначено для студентов направления подготовки бакалавров 200100.62 «Приборостроение» укрупненной группы 200000 «Приборостроение и оптотехника».

© Сибирский федеральный университет, 2008

Рекомендовано Инновационно-методическим управлением СФУ в качестве учебного пособия

Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения ин- формационно-аналитического департамента СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ

Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм.

Подп. к использованию 01.09.2008 Объем 4 Мб

Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

ОГЛАВЛЕНИЕ

2.2.Рекомендациипоразмещениюэлементов печатногорисунка.. 86

2.3.Топологическоепроектированиесхемнаоперационных

ВВЕДЕНИЕ

Уровень развития современных радиоэлектронных средств (РЭС)

рования ПП основывается на сквозных автоматизированных алгоритмах,

САПР ПП (например, Pspace, Micro Sim, Design Lab [23, 24, 27], OrCAD 9.x, Protel 99SE [http://www.rodnik.ru], Micro Cap [35], P-CAD [22, 23], Accel EDA [28], P-CAD 2000, Microware Office [http://www.rodnik.ru], «АСОНИКА-Т» [15,16], βeta soft, Polaris [24], Omega plus и т.п.), применяемые в рамках та-

ких маршрутов, позволяют осуществлять комплексные исследования на ранних этапах разработки, например моделировать в едином технологическом цикле проектирования влияние температурных воздействий на электрические характеристики, влияние печатного монтажа на качество распространения сигналов и т. п. Таким образом, современная технология проектирования ПП, а также требования, предъявляемые к современным ПП, позволяют выделить в отдельное направление процесс разработки и создания ПП, который характеризуется основными параметрами, приведенными на рис. В1.

В рамках учебного проектирования, в настоящее время, наблюдается также активное внедрение современных технологий проектирования ПП. Однако при этом сказывается отсутствие литературы, позволяющей одновременно раскрыть предметную область данного направления с наиболее важных сторон, таких как основные положения конструкторскотехнологических аспектов разработки ПП, основы математического обеспечения автоматизированного топологического проектирования ПП, применение вопросов системного подхода в процессе проектирования ПП средствами САПР и т. п. Наличие такой литературы позволит значительно повысить эффективность применения современных САПР ПП [24, 28] в учебном проектировании. Именно последнее обстоятельство послужило причиной создания данного учебного пособия.

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие состоит из пяти глав, три из которых содержат материал, отражающий основные аспекты конструкторскотехнологических вопросов разработки ПП, а также алгоритмические вопросы современной технологии проектирования ПП средствами САПР. Четвертая главы посвящена вопросам математического обеспечения автоматизированного топологического проектирования ПП. В пятой главе рассматриваются вопросы методического обеспечения топологического проектирования ПП. В приложениях приводятся основные термины и выражения, используемые в процессе проектирования ПП, типовые геометрические модели электрорадиоэлементов (ЭРЭ), а также пример сквозного автоматизированного проектирования ПП усилителя мощности.

1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

Основной конструктивной базой современных радиоэлектронных средств (РЭС) являются печатные платы с установленными на ней радиоэлектронными компонентами. Это обусловлено тем, что ПП, являясь несущей конструкцией, позволяет объединить при помощи электрического печатного монтажа электрорадиоэлементы (ЭРЭ) в функциональные узлы различного назначения и сложности (типовые элементы замены, функциональные ячейки, объемные модули и т. д.) [1, 2].

Применение печатного монтажа создает предпосылки для механизации и автоматизации процессов изготовления и сборки РЭС, повышает ее надежность и обеспечивает повторяемость параметров монтажа от образца к образцу.

С учетом сказанного можно выделить следующее. Преимущества печатного монтажа:

•объединение ЭРЭ и электрического монтажа в единую конструкцию;

•организация и возможность управления размещением элементов;

•повышение плоскостности компоновки изделия;

•уменьшение габаритов и массы;

•уменьшение стоимости готового изделия (за счет автоматизации при проектировании и изготовлении печатных плат и печатных узлов, применения групповых методов пайки и использования более дешевых материалов);

•увеличение надежности за счет сокращения количества соединений и

уменьшения ошибок при монтаже, повышения механической прочности узлов;

•близкое совпадение расчетов и реально полученных характеристик;

•возможность уменьшения паразитных связей за счет экранирования

иприменения низкоомных проводников;

•возможность применения элементов с планарными, штыревыми выводами и безвыводных ЭРЭ;

•возможность простого обеспечения каналов при воздушном охлаждении;

•простота проверки;

•простота анализа при выявлении причин отказа.

Кнедостаткам печатного монтажа следует отнести:

•уменьшенную объемную эффективность;

•повышенную чувствительность к ударам и вибрациям;

•ограниченную ремонтопригодность;

•ухудшенный теплоотвод за счет естественной конвекции при горизонтальном расположении плат;

•увеличение вероятности пробоя при наличии неизолированных проводников;

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

•увеличение нежелательных емкостных и индуктивных связей;

•наличие определенных ограничений на конструкцию плат;

•трудность внесения изменений в готовое изделие.

Печатная плата является конструктивным элементом первого структурного уровня на котором располагаются проводники. Элемент второго уровня – печатный узел представляющий собой ПП с подсоединенными к ней электрическими, механическими элементами и другими печатными платами и с выполненными всеми технологическими процессами (пайка, покрытие и т. д.) [1, 2].

Таким образом, если печатная плата есть деталь, независимо от способа ее изготовления, то печатный узел – сборочная единица обязательно включающая в себя:

•печатную плату;

•электрорадиоэлементы;

•элементы дополнительного механического крепления ЭРЭ;

•элементы контроля и коммутации;

•элементы несущей конструкции.

1.1. Классификацияпечатныхплат

Классификацию печатных плат проводят по нескольким признакам. Прежде всего, по частотному диапазону: низкочастотные и высокочастотные СВЧ-диапазона. Последние обычно называются полосковыми, или микрополосковыми, платами и характеризуются повышенными требованиями к проводящему рисунку, обеспечивающими создание микрополосковых линий (МПЛ) передач высокочастотного сигнала (частота от 0,5 ГГц) и специальными – к материалу основания [3].

Печатные платы классифицируют также и по жесткости применяемого основания. На полимерных основаниях толщиной до 0,4 мм выполняют гибкие печатные платы (ГПП) и гибкие печатные кабели (ГПК).

Развитие и сближение технологий печатного и пленочного монтажа позволили выделить в отдельный класс платы с монтажом на поверхность [4], установка ЭРЭ на которые производится только по планарной технологии. Применение этой разновидности печатных плат позволяет максимально использовать механизацию и автоматизацию сборочно-монтажных работ. Тем не менее, широкое внедрение плат с монтажом на поверхность сдерживается более высокими требованиями к качеству проводящего рисунка, неэкономичностью при ручном монтаже элементов и ограниченной элементной базой. Этот тип плат применяется, как правило, для изделий с низким энергопотреблением, для портативной и малогабаритной аппаратуры.

Наиболее часто печатные платы классифицируются по количеству диэлектрических и проводящих слоев, а также способов коммутации последних. Эти конструктивные разновидности ПП представлены на рис.1.1.

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.1.Классификация печатных плат

Рис. 1.1. Классификация печатных плат

В зависимости от числа диэлектрических слоев различают однослойные печатные платы – (односторонние (ОПП) (рис. 1.2), двусторонние (ДПП) (рис. 1.3) и многослойные (МПП) (рис. 1.4, рис. 1.5). Однослойные ПП всегда имеют один изоляционный слой, на котором находятся проводники. Применение МПП, состоящих из нескольких изоляционных слоев, позволяет увеличить плотность монтажа, сократить длину проводников и уменьшить паразитные связи и наводки.

Наиболее широко используются в аппаратуре РЭС односторонние печатные платы (рис. 1.2), двухсторонние с химико-гальванической металлизацией отверстий по комбинированной позитивной или полуаддитивной технологиям (рис. 1.3), многослойные печатные платы выполненные попарным прессованием (рис. 1.4) и металлизацией сквозных отверстий (рис. 1.5) [1].

Односторонние печатные платы (рис. 1.2) характеризуются следую-

щими основными параметрами:

•возможностью обеспечения повышенных требований к точности воспроизведения проводящего рисунка;

•установкой корпусных ЭРЭ с радиальными выводами на поверхность платы с противоположной рисунку стороны (для некоторых ЭРЭ пре-

дусматривается возможность установки со стороны печатного рисунка, например варикапы типа КВ122А-9, микросхемы в корпусах типа 4114.24-1,

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.1.Классификация печатных плат

4151.12-1, 4153,12-1 по ГОСТ 17467–79 и т.п.) без дополнительного изоляционного покрытия;

•простотой технологического процесса изготовления ПП;

•низкой стоимостью конструкции.

Рис. 1.2. Конструкция односторонней печатной платы

ДПП с химико-гальваническим соединением слоев (рис. 1.3)

характеризуются:

•высокими коммутационными свойствами в связи с возможностью использования переходных металлизированных отверстий;

•повышенной прочностью сцепления выводов корпусных ЭРЭ с проводящим рисунком платы;

•более высокой стоимостью.

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.1.Классификация печатных плат

Кроме того двухсторонние печатные платы значительно меньше коробятся, т. к. проводящие металлические слои, расположенные с противоположных сторон основания, компенсируют деформацию диэлектрика. Наиболее сильно подвержен короблению гетинакс.

Многослойные печатные платы (МПП) [5] обладают самыми высокими коммутационными свойствами, возможностью обеспечения высокой помехозащищенности цепей, однако стоимость конструкции более высока.

Многослойные печатные платы, изготовленные методом попарного прессования (рис. 1.4), характеризуются:

•наличием межслойных соединений;

•быстрым освоением в производстве;

•возможностью монтажа элементов как с планарными, так и со штыревыми выводами ЭРЭ (применение планарных выводов предпочтительнее). Компоненты с планарными выводами устанавливаются с двух сторон, со штыревыми – с одной.

•малым количеством слоев (до 8). Оптимальны четырехслойные конструкции;

•возможностью осуществления промежуточного контроля качества проводящих слоев и межслойных соединений в процессе производства.

Рис. 1.4. Конструкция МПП, изготовленная попарным прессованием: 1– фольгированный диэлектрик; 2 – сквозное отверстие;

3 – прокладочная стеклоткань

Многослойные печатные платы, изготовленные методом металлизации сквозных отверстий, (рис. 1.5) характеризуются:

•наличием межслойных соединений;

•практически неограниченным числом слоев (больше 50, по типовому технологическому процессу – 20);

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.1.Классификация печатных плат

определяют ряд характеристик готового изделия: надежность, устойчивость к внешним воздействиям, точность, стоимость и др. Выбор метода является прерогативой проектировщика, который указывает его в конструкторской документации (КД) на печатную плату.

Методы изготовления плат в соответствии с ГОСТ 20406–75 делятся на субтрактивные (химические), аддитивные (электрохимические) и механические.

Для субтрактивных методов характерно использование фольгированных материалов с химическим удалением проводящего слоя. Эти методы отличает простота технологических процессов, однако при их использовании получить соединение слоев можно только с помощью металлической арматуры по ГОСТ 22318–77 (заклепки, штыри) или использовать соединение слоев с помощью выводов ЭРЭ.

В зависимости от способа формирования защитного рисунка на проводящем слое заготовки существует три разновидности субтрактивной технологии.

Фотохимический способ предусматривает нанесение на фольгированный материал фоторезиста и засветку его через фотошаблон с травлением фольги после формирования рисунка. Этот метод обладает наивысшей точностью и не требует сложного оборудования, позволяет легко перестраивать производство на новые виды печатных плат. Используется в серийном и опытном производстве при большой номенклатуре сложных плат.

Офсетохимический способ предусматривает печатание позитивного изображения офсетным способом кислотощелочестойкой краской, обладает большой производительностью и используется в крупносерийном производстве при малой номенклатуре печатных плат.

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.1.Классификация печатных плат

Сеточно-химический способ предусматривает печатание позитивного изображения кислотощелочестойкой краской через сеточный трафарет (трафаретная печать). Обладает максимальной производительностью. Применяется в крупносерийном и массовом производстве при малой номенклатуре печатных плат.

Из полуаддитивных технологий наиболее широко применяется комбинированный позитивный метод, позволяющий производить металлизацию отверстий. В данном случае на поверхности просверленных или пробитых отверстий химически осаждается медь, а затем производится ее гальваническое наращивание до необходимой толщины. В качестве материала основания применяются фольгированный гетинакс или текстолит с толщиной фольги 35 или 50 мкм. Поскольку электрохимическое осаждение меди происходит не только в отверстиях, но и на проводящих участках, толщины проводников получаются очень большими.

Этот недостаток устраняется при использовании полуаддитивного метода, при котором в качестве материала основания применяется слофадит с толщиной фольги 5 мкм.

К механическим методам изготовления ПП относят фрезерование, при котором удаление фольги проводится на специальных координатно-фрезерных станках.

1.2 Факторы, влияющиенакачествопроектирования

печатныхплат

Габариты, конструкция и качество печатного узла и аппаратуры во многом зависят от выбранного принципа конструирования. Таких принципов четыре: моносхемный, функционально-блочный, функциональномодульный и функционально-узловой.

Моносхемный (моноконструкций) – вся электрическая схема изделия располагается на одной печатной плате. Метод отличает повышенная плоскостность компоновки, малое количество крепежных деталей, отсутствие межплатных соединений. В виду ограниченной ремонтопригодности применяется для бытовой, дешевой и невосстанавливаемой аппаратуры.

Функционально-блочный (схемно-узловой) – вся электрическая схема разбивается на отдельные части с четко выраженными входными и выходными характеристиками (УВЧ, УПЧ и т. д.), которые выполняются на отдельных печатных платах. Для метода характерны: улучшенная компоновка и ремонтопригодность. Предполагает наличие коммутационной платы или жгута.

Функционально-модульный (каскадно-узловой) – на отдельной печат-

ной плате выполняется каждый каскад. При большой объемной плотности компоновки, простоте обслуживания и повышенной стойкости к механиче-

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.2Факторы, влияющие на качество проектирования печатных плат

ским воздействиям наблюдается увеличение габаритов и массы за счет большого числа армирующих и крепежных деталей. Большое число межплатных соединений увеличивает наводки и снижает надежность изделия. Этот метод применяется редко в связи с возрастающим применением микросхем (МС) высокой степени интеграции.

Функционально-узловой – электрическая схема разбивается на узлы, каждый из которых выполняет ограниченное число функций. Отличается простотой, высокой надежностью, большой объемной плотностью и стойкостью к внешним воздействиям. Однако несколько увеличен вес и число межплатных соединений по сравнению с реализацией моносхемного или схемно-узлового принципов. Рекомендуется для аппаратуры с малым временем восстановления и для часто модернизируемой аппаратуры, а также для аппаратуры, назначение которой зависит от набора функциональных частей.

В чистом виде рассмотренные принципы конструирования аппаратуры на печатных платах применяются редко, однако при выборе любого принципа (за исключением моносхемного) необходимо стремиться к унификации по типоразмерам проектируемых ПП.

На качество проектирования печатных плат влияют также и следующие факторы:

•степень сложности;

•способ изготовления;

•назначение изделия;

По степени сложности аппаратура делится на пять групп [7, 8]:

1.Простая (содержит до 10 активных ЭРЭ (2–3 МС));

2.Нормальной сложности (10–20 активных ЭРЭ (до 5 МС));

3.Повышенной сложности (до 50 активных элементов (до 20 МС), возможно использование больших интегральных схем (БИС)).

4.Высокой сложности (до 100 активных ЭРЭ (до 50 МС), применение

(БИС)).

5.Весьма высокой сложности (свыше 100 активных ЭРЭ (свыше 50 МС), применение БИС и сверхбольших интегральных схем (СБИС)).

Характер производства (серийность выпуска), с учетом степени сложности, влияет на выбор способа получения печатного рисунка (фотоспособ, сеточный или офсетный способы) [9]. Выбор способа пайки ЭРЭ формирует требования к элементам печатного рисунка и взаимной ориентации этих элементов.

Для крупносерийного и массового производства рекомендуются офсетный и сеточный методы формирования рисунка. Применяются трафаретное маркирование и маркирование травлением.

Для серийного производства рекомендуются фотоспособ и сеточный способ. Маркирование – трафаретное и травлением.

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.2Факторы, влияющие на качество проектирования печатных плат

Для единичного и опытного производства – фотоспособ и фрезерование, маркирование травлением и ручная маркировка. Применение фрезерования для других типов производств сдерживается высокой стоимостью изготовления, однако технологической подготовки производства при механическом способе формирования печатного рисунка не требуется. В табл. 1.2 приведены сравнительные данные для ПП изготовленных по различным технологическим процессам.

Таблица 1.2

Сравнительная характеристика сроков изготовления и стоимости ПП, изготовленных по субтрактивной и механической технологиям

Для изделий 3-й группы сложности – любой способ формирования рисунка, кроме сеточного.

Для изделий 4–5-й групп сложности – формирование рисунка фотоспособом.

Применяемые в крупносерийном производстве групповые способы пайки (пайка волной припоя, окунанием, для монтажа на поверхность – в термопечах) накладывают дополнительные ограничения на способы установки ЭРЭ и конфигурацию печатного рисунка. Например, элементы должны быть зафиксированы дополнительно на месте установки, токопроводящие дорожки должны располагаться параллельно сторонам платы, контактные площадки не должны иметь избыточной площади и т. д. Более подробно такие ограничения будут рассмотрены в главе 2.

На качество проектирования ПП влияют также назначение изделия и объект установки РЭС. Для бытовой РЭС рекомендуется формирование рисунка сеточным и офсетным способами, а для аппаратуры специального назначения – офсетным и фотоспособом. Для аппаратуры автоматики, телемеханики и вычислительной техники предпочтительны фотоспособы, отличающиеся наибольшей разрешающей способностью [9].

Для стационарной аппаратуры применимы все принципы конструирования. Для носимой (кроме бытовой) – все принципы, кроме моносхемного, если при его применении плата по механическим характеристикам не удовлетворяет предъявляемым требованиям. Для подвижной РЭС применяются каскадно-узловой и функционально-узловой принципы. Для высокоподвижной основным является функционально-узловой принцип.

Если рассматривать РЭС с точки зрения обслуживаемости во время эксплуатации, то для аппаратуры разового действия применим любой принцип конструирования, для ремонтопригодной и с подстройкой в процессе

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.2Факторы, влияющие на качество проектирования печатных плат

эксплуатации – все принципы, кроме моносхемного. Для изделий с выборочным контролем во время эксплуатации рекомендуются функциональноузловой и каскадно-узловой принципы.

Условия эксплуатации РЭС определяют выбор группы жесткости, которые нормируют условия и параметры испытаний, проводимых с целью проверки работоспособности ПП. В соответствии с ГОСТ 23752–79 ″Платы печатные. Общие технические условия″ выделены 4 группы жесткости (табл. 1.3).

Поскольку каждое изделие РЭС проходит разные виды контроля и приемочных испытаний, то обязательное задание в конструкторской документации (КД) группы жесткости однозначно определяет процедуры испытаний для конкретных ПП.

Частотный диапазон и рабочее напряжение кроме требований к конфигурации рисунка (глава 2) влияют и на выбор способа изготовления. При частотах до 6 МГц и напряжениях до 50 В приемлемы все способы изготовления. До 30 МГц и до 300 В не применяется сеточный способ формирования рисунка, а выше 30 МГц и свыше 300 В ПП изготавливаются только фотоспособом.

1.3. Порядокпроектированияпечатныхплат

Перед рассмотрением методики проектирования ПП, покажем ее место в общем цикле разработки РЭС. Процесс разработки РЭС в целом строится, как правило, на основе типовых проектных процедур [10]. Количество процедур и их последовательность определяются как спецификой РЭС, так и методологией проектирования, которая основывается в настоящее время на системных принципах проектирования РЭС [11] с применением САПР.

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.3.Порядок проектирования печатных плат

Исходя из вышеизложенного, рассмотрим маршрут автоматизированного проектирования (АП) РЭС нестационарного исполнения для самых ранних стадий их разработки. Предполагается, что РЭС выполняется в виде блока, который, в свою очередь, включает в свой состав ряд конструктивных узлов. На приведенном маршруте (рис. 1.6) проектные процедуры представляются в виде блоков, а связи между ними отображаются в виде различных информационных потоков. Нумерация блоков на схеме маршрута отражает генеральную последовательность выполнения автоматизированных проектных процедур. Рассматриваемый маршрут ориентирован на исследование в РЭС различных физических процессов электрических, тепловых, электромагнитных, механических, деградационных и т. п. На рис. 1.6 условно изображены информационные потоки (Дтз1 – Дтз7), которые отражают как требования ТЗ к определенным характеристикам и показателям РЭС (например, электрическим, надежностным, массо-габаритным и т. д.), так и уровень дестабилизирующих факторов (например, температурные и механические воздействия и т. д.).

Блок 1. На начальном этапе маршрута проектирования выполняется процедура предварительного моделирования электрических процессов, протекающих в схеме РЭС. Процедура моделирования может осуществляться на основе подходов, изложенных в [10, 12]. Результаты моделирования (вектор электрических характеристик (ЭХ)) сравниваются с требованиями технического задания (ТЗ) к ЭХ, которые содержатся в информационном потоке Дтз1. Учитывая неопределенность некоторых данных на рассматриваемом этапе (отсутствие информации о локальных температурах ЭРЭ, отсутствие данных о значениях, например, паразитных параметров печатного монтажа и т. п.), такими данными задаются в первом приближении.

Блок 2. Исходя из результатов моделирования ЭХ разрабатываемого РЭС, требований к параметрам конструкции (если задаются в ТЗ), а также уровня тепловых и механических воздействий, осуществляется предварительная разработка конструкции проектируемого устройства. В процессе разработки конструкции решаются, например, следующие задачи: компоновка электрической схемы в типовые конструктивные узлы (разрезание схемы

определение параметров корпуса блока, исходя из действующих на него дестабилизирующих факторов, а также требований к массо-габаритным и удельным характеристикам (обычно задаются в ТЗ или ЧТЗ (информационный поток Дтз2) и т. п. [14].

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.3.Порядок проектирования печатных плат

Рис. 1.6. Маршрут сквозного АП РЭС

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.3.Порядок проектирования печатных плат

Блок 3. Для разработанного первоначального варианта конструкции РЭС моделируется ее тепловой режим (ТР) при помощи соответствующих программных средств, например [15, 16]. Для анализа теплового режима используется макромодель всей конструкции, т. е. осуществляется контроль теплового режима конструкции самого верхнего уровня иерархии (стойки, блока или микроблока) [16, C. 40-56]. В потоке исходной информации для моделирования ТР могут быть использованы данные ТЗ (информационный поток Дтз3), в качестве которых могут выступать: воздействующие температуры и их временные диаграммы; допустимые перегревы или интегральные температуры отдельных конструктивных узлов или ЭРЭ; вид охлаждения и его параметры и т.п.

Блок 4. Основываясь на результатах предыдущих процедур, решается в первом приближении задача размещения ЭРЭ на монтажных полях конструктивных узлов [13, 17], на которых реализуются соответствующие фрагменты электрической схемы. На данном этапе выполняется также предварительная трассировка печатного или пленочного монтажа.

Используемые в процессе решения перечисленных задач топологического проектирования алгоритмы и критерии [13, 17] определяются дестабилизирующими факторами и технологическими требованиями (классом точности изготовления печатной платы, количеством слоев печатной платы), уровнем помехозащищенности и т. п. [3, 13, 14, 17, 18].

Блок 5. Используя результаты размещения ЭРЭ на несущих конструктивах (подложках, печатных платах, основаниях функциональных ячеек и т. п. [19]), а также вектор мощностей ЭРЭ ( PЭ ), граничные или краевые усло-

вия (TГК ), полученные в блоке 3 маршрута проектирования, осуществляется детальное моделирование тепловых режимов конструктивных узлов (печатных узлов (ПУ), функциональных ячеек (ФЯ), узлов радиаторов (УР), микросборок (МСБ) и т.п.) с помощью соответствующих программных средств, например [15]. Процесс моделирования может осуществляться в соответствии с методикой, приведенной в [10, с. 75–82].

Блок 6. Выполняется процесс моделирования механических режимов работы (МР) проектируемой конструкции. При этом в качестве исходной информации могут использоваться данные ТЗ или ЧТЗ (поток Дтз4), которые определяют требования к резонансным частотам конструктивных узлов и элементов РЭС, а также вид механических воздействий и их параметры, включая, в ряде случаев, информацию об уровнях механических воздействий в местах установки конструктивных узлов. Кроме этого, в качестве исходных данных выступают координаты установки ЭРЭ ( K уэ ), полученные в результа-

те размещения (см. блок 4) и скорректированные в процессе анализа и обеспечения тепловых характеристик в блоке 5, а также тепловые поля конструкции (Tп ) для возможного учета температурных зависимостей физико-

механических параметров конструкции [10, с. 125–126] и т. д. В общем слу-

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.3.Порядок проектирования печатных плат

чае процесс моделирования может строиться по схеме, представленной в

[10, с. 83].

Для моделирования механических характеристик плоских конструкций РЭС может использоваться программное обеспечение, описанное в [20].

Блок 7. Осуществляется анализ электромагнитной совместимости (ЭМС) разрабатываемого устройства. В первом приближении оценивается, например, необходимость введения экранов и их эффективность [13, 14]. Исходной информацией для анализа ЭМС являются конструктивные параметры устройства и его электрические характеристики (частотные характеристики, токи и напряжения в узлах схемы и т. д.).

Для оценки основных характеристик внутриаппаратурной ЭМС может быть использован, например, ППП, описанный в [21].

Блок 8. На основе результатов предыдущих этапов маршрута АП (блоки 1, 3, 5, 6) осуществляется оценка безотказности устройства по постепенным отказам, допусковый анализ и т. п. [11, 12, 14]. Исходной информацией для данного вида анализа служат электрические характеристики (токи

( I ), функции чувствительности выходных характеристик устройства к изменению параметров элементов схемы ( ∂Y ∂q ) и т. д., параметры дестабилизирующих факторов, например перегревы элементной базы ( T ), виброперегрузки на ЭРЭ ( Aэ ) и т. д., а также требования ТЗ к анализируемым пока-

зателям безотказности (информационный поток Дтз5).

Блоки 9–10. Выполняется анализ показателей надежности проектируемого устройства по внезапным отказам. Анализ проводится по методике, изложенной в [10, с. 143–150]. В качестве исходной информации для мо-

делирования выступают коэффициенты электрической нагрузки ЭРЭ ( Kэн ),

интенсивности отказов ЭРЭ ( λоэ ), температуры и виброускорения ЭРЭ (Tэ и

Aэ ). Кроме этого, в ТЗ или в ЧТЗ могут регламентироваться данные на пока-

затели безотказности устройства в целом (информационный поток Дтз7), а также на отдельные конструктивные узлы (информационный поток Дтз6).

Блок 11. С учетом внесенных на предыдущих этапах маршрута АП изменений в размещение ЭРЭ на конструктивах с позиций обеспечения тепло-

вых (Kуэ(Т)) и механических (Kуэ(М)) режимов работы, анализа ЭМС (Kуэ(ЭМ)) (введение экранов), анализа показателей надежности и качества

(замена отдельных ЭРЭ, введение резервирования как отдельных ЭРЭ, так и функциональных узлов и т. д.) выполняется окончательное размещение ЭРЭ на конструктивах с учетом закрепленных ЭРЭ. Затем осуществляется процесс окончательной трассировки соединений [13, 17, 18, 22, 23]. В результате топологического проектирования получают информацию, которая была не определена на начальных этапах проектирования. К такой информации можно отнести данные о параметрах печатного монтажа, которые в ряде случаев необходимо использовать при моделировании электрических характеристик

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.3.Порядок проектирования печатных плат

[24, с. 199–202] (блок 1), а также при анализе электромагнитной совместимости (блок 7) проектируемого устройства. В последнем случае параметры печатного монтажа позволяют произвести анализ возможного наведения и распространения помех по различным электрическим цепям конструктивного узла или устройства в целом [4, 13]. Учитывая это, а также тот факт, что процесс трассировки может вестись итеративно с процессом размещения незакрепленных ЭРЭ, необходимо повторно выполнить все вычислительные процедуры, начиная с 1-го блока. Повторное выполнение процедур позволяет также учесть в расчетах системные связи (учет вектора Тэ в блоке 1; учет

вектора Куэ в блоках 4 и 6; учет вектора Рэ в блоках 3 и 5 и т.п.).

Блок 12. На заключительном этапе маршрута после итеративных расчетов осуществляется автоматизированный выпуск комплекта конструкторской документации (КД), например, средствами системы AutoCAD [25] на проектируемое устройство. В данном блоке также выполняются операции по разработке комплекта технологической документации (ТД).

Как следует из маршрута сквозного автоматизированного проектирования РЭС (рис. 1.6, блоки 2, 4, 11), разработка топологии печатных плат состоит из двух взаимосвязанных основных этапов: размещение компонентов и трассировка печатных проводников. Их взаимосвязь обусловлена не только внешними факторами: механическими и тепловыми воздействиями, условиями распространения электрического сигнала, расположением и закреплением платы в блоке и т. д., но и технологией изготовления ПП и ПУ, а также конструкторско-технологическими нормами на проектирование.

Относительно РЭС в целом можно выделить следующие процедуры автоматизированного топологического проектирования (рис. 1.6, блоки 2, 4, 11) [6, 13, 14, 17, 18, 26, 43]:

1.Компоновка (упаковка частей схемы в типовые конструктивные единицы).

2.Размещение (размещение конструктивных узлов или ЭРЭ на монтажном пространстве несущей конструкции (блока, печатной платы, подложки, кристалла) по определённым критериям).

3.Трассировка (определение конкретных геометрических параметров печатного, плёночного или проводного монтажа, реализующего соединения между элементами схемы).

Вобщем случае, можно выделить следующую последовательность процедур проектирования (аналогично рассмотренной в [3, 26]), применяемых при разработке печатных плат:

1.Анализ частного технического задания (ЧТЗ) на разработку платы.

2.Выбор класса точности и шага координатной сетки.

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.3.Порядок проектирования печатных плат

5.Размещение электрорадиоэлементов.

6.Исследование путем математического моделирования различных физических процессов [15, 16, 20, 21, 34] (тепловых, механических, электромагнитных).

7.Трассировка печатных элементов, уточнение типа ПП, класса точности и габаритов.

8.Выбор конструкционных покрытий.

9.Анализ показателей надежности [3, с. 165–174; 10, с. 143–150 ].

Процедуры 5, 7 проводят после настройки программ-трассировщиков,

входящих в САПР ПП (P-CAD [22, 23, 27], Pspase [24], ACCEL [28] и т.п.) по результатам процедур 2–4. В блоке 11 (рис. 1.6) процедуры 5–7 проводят вторично с учетом результатов, полученных при моделировании различных физических процессов (рис. 1.6, блоки 5–10).

Совокупность процедур 1–5, 7 составляют процесс топологического проектирования печатных плат, который будет рассмотрен детально ниже.

1.4. Анализчастноготехническогозадания наплату

Частное техническое задание на плату формируется на основе технического задания (ТЗ) изделия [7]. В нем определяются: условия эксплуатации, серийность выпуска, условия размещения печатной платы в изделии и способа ее крепления, габаритно-установочные размеры, вид электрической коммутации платы с выносными ЭРЭ и другими узлами и т. п. ЧТЗ совместно со схемой электрической принципиальной, перечнем элементов и картой электрических режимов являются основным документом для разработки печатного узла.

Условия эксплуатации должны включать как климатические, так и механические факторы, а также вид защиты, обеспечиваемый несущей конструкцией, корпусом, кожухом и т. п. Климатические воздействия необходимы для выбора группы жесткости ПП (параграф 1.2) и дополнительной защиты ПУ лакокрасочными покрытиями.

Механические дестабилизирующие факторы (удары, вибрации, линейные ускорения) задаются с указанием направления их воздействия, что необходимо для выбора правильной ориентации элементов на плате (параграф 1.9) (с учетом ориентации платы в блоке), способов дополнительного крепления ЭРЭ (параграф 1.9 и параграф 2.1), материала основания (параграф 1.6.3) и габаритов ПП.

С точки зрения уменьшения количества межплатных соединений, массы и количества крепежных элементов выгоднее применять одноплатные конструкции или снижать количество в изделии печатных плат с увеличением их габаритов, соответственно. Однако чем больше размеры и масса печатного узла, тем ниже его резонансная частота [6] и выше вероятность ее по-

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.4.Анализ частного технического задания на плату

падания в диапазон возбуждающих частот. Поэтому, для подвижной РЭС, даже на этапе анализа ЧТЗ необходимо оценивать устойчивость проектируемой ПП при заданных механических воздействиях.

Конструкторский анализ схем электрических и карты электрических режимов работы ЭРЭ позволяют выявить:

•тепловыделяющие и теплочувствительные ЭРЭ, электрорадиоэлементы, сопрягаемые с несущей конструкцией (индикаторы, переключатели и т. п.) для последующей компоновки ПУ;

•подборные ЭРЭ и ЭРЭ с малой надежностью, для принятия необходимых мер по многократной перепайке в процессе настройки и регулировки или эксплуатации ПУ или прибора в целом;

•точки, необходимые для проведения внутрисхемного контроля, с целью введения в топологию проводящего рисунка контрольных контактных площадок;

•электрические цепи различного функционального назначения. Обычно выделяют потенциальные (питания и земли), сигнальные (ма-

ломощные и большой величиной сигнала), управляющие цепи и цепи, которые необходимо экранировать. Эта процедура особенно важна при проектировании МПП и устройств с малым уровнем входных токов.

Конструкторский анализ элементной базы состоит в определении: массы, габаритных размеров, установочной площади Vi, диаметра выводов dв электрорадиоэлементов. Масса и габаритные размеры применяемых компонентов влияют на выбор варианта и места установки ЭРЭ и способа его дополнительного крепления.

Диаметры выводов ЭРЭ необходимы для расчета диаметров монтажных отверстий.

Габаритные размеры, а точнее установочные площади, позволяют предварительно оценить площадь печатной платы.

Установочная площадь электрорадиоэлемента Si определяется из справочника [29] или вычисляется по формуле

где L и B – длина и ширина ЭРЭ по установочным размерам, в соответствии с вариантом установки по ОСТ 4.010.030–81 ″Установка навесных элементов на печатные платы″.

Характеристика вариантов установки приведена в прил. 2 (см. также параграф 2.1).

Поскольку, в общем случае, Si может определяться длиной и высотой ЭРЭ, шириной и высотой или вариантом расположения на плате (рис. 1.6)

ииметь при этом разные значения, то желательно определять минимальную

имаксимальную установочные площади.

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.4.Анализ частного технического задания на плату

H

Рис. 1.7. Влияние варианта установки конденсатора на установочную площадь: а) Si = 1,3·п·D; б) Si = 1,3·D·H

Полученные в результате анализа данные удобно представлять в форме следующей таблицы

Рис. 1.7. Форма таблицы конструктивных характеристик ЭРЭ

При вычислении установочной площади ЭРЭ следует помнить, что установочные размеры, особенно для компонентов с разнонаправленными выводами, могут зависеть от шага координатной сетки при одном и том же варианте установки. Более подробно выбор шага рассмотрен в следующем разделе.

1.5. Выборклассаточностиишагакоординатнойсетки

На основании имеющихся в ЧТЗ данных по типу производства, группе сложности и составу элементной базы, конструктор может ориентировочно определить класс точности печатной платы и выбрать затем шаг координатной сетки. Шаг координатной сетки является одним из параметров, необходимых для настройки редакторов печатных плат и программ-трассировщиков (параграф 1.8), и поэтому, должен быть установлен до процедур компоновки ПП и трассировки проводников.

1.5.1. Выборклассаточности

Класс точности, как одна из характеристик печатной платы, определяет номинальные, минимальные, максимальные и точностные значения элементов печатного рисунка и параметров печатных плат (диаметры отверстий, габаритные размеры и т. д.).

В соответствии с ГОСТ 23751–86 ″Платы печатные. Основные параметры конструкции″ выделены 5 классов точности, краткая характеристика которых приведена в табл. 1.4 [30].

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.5.Выбор класса точности и шага координатной сетки

1-й и 2-й классы точности характеризуют простоту, надежность, малую стоимость, а 4-й и 5-й классы – использование высококачественных материалов, спецоснастки и дорогого оборудования.

Класс точности определяет в первую очередь минимально допустимые геометрические размеры элементов ПП (табл. 1.5), обозначенные на рис. 1.2, рис. 1.3, рис. 1.4.

Таблица 1.5

Влияние класса точности на параметры ПП

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.5.Выбор класса точности и шага координатной сетки

Ширина печатного проводника t – поперечный размер проводника на любом участке в плоскости основания.

Расстояние между проводниками S – расстояние между краями сосед-

них проводников на одном слое ПП.

Ширина гарантийного пояска b – расстояние между краем монтажного отверстия и краем контактной площадки (рис. 1.8).

Относительная толщина ПП J – отношение минимального диаметра металлизированного отверстия к толщине платы. Толщина платы определяется толщиной материала основания с учетом толщины фольги.

b

b

Рис. 1.8. Гарантийный поясок: а – металлизированное отверстие; б – неметаллизированное отверстие

Первоначально выбранный класс точности при дальнейшей разработке может быть изменен, поскольку конструирование есть итерационный процесс синтеза через анализ.

Кроме параметров печатных плат, указанных в табл. 1.5, класс точности влияет на позиционные допуски расположения осей монтажных и переходных отверстий (табл. 1.15), позиционные допуски расположения контактных площадок (табл. 1.16) и проводников (табл. 1.17). Таким образом, он определяет ограничения на элементы печатных плат, накладываемые существующими технологическими процессами.

1.5.2. Выборшагакоординатнойсетки

Координатная сетка вводится для задания координат центров монтажных и переходных отверстий, контактных площадок и других элементов печатного рисунка на поверхности ПП и является самым удобным способом для указанных целей. Альтернативные способы приведены в ГОСТ 2.417–78.

Шаг координатной сетки – это расстояние между линиями координатной сетки и его значения (для прямоугольных координат) определены ГОСТ 10317–79 ″Платы печатные. Основные размеры″: 2,5; 1,25; 0,625 и 0,5 мм. Шаг 2,5 мм является основным, а 0,5 мм применять не рекомендуется. При выборе шага сетки руководствуются следующими соображениями.

Для классов точности 1 и 2, при низкой плотности монтажа, выбирают шаг 2,5 мм.

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.5.Выбор класса точности и шага координатной сетки

Шаг 1,25 мм применяют в том случае, если на плату устанавливают многовыводные элементы с шагом расположения выводов 1,25 мм, так как все монтажные отверстия должны попадать в узлы координатной сетки.

При использовании многовыводных элементов (количество выводов по одной стороне более 24) зарубежного производства необходимо применять не метрическую, а дюймовую систему задания шага в САПРах ПП для обеспечения условий сборки ПУ.

Применяемое технологическое оборудование для автоматизированного производства ПП тоже накладывает свои ограничения, так как большинство из них имеет дискретность установки шага 0,25 мм.

1.6. Выбор типа ПП, ее габаритов и материалаоснования

1.6.1. ВыбортипаПП

При проектировании печатного монтажа разработчик должен стремиться к минимизации стоимости ПП и, соответственно, числа проводящих слоев (стоимость двухсторонней печатной платы с металлизацией отверстий примерно в два раза больше стоимости односторонней, см. рис. 1.2). При этом решение ряда топологических задач проводится введением навесных перемычек (объемных проводников). Например, 80–90 % бытовой аудиовидеотехники ведущих зарубежных производителей (SONI, PANASONIC, LG и т. д.) выполняется на односторонних печатных платах. Для повышения надежности в критичных местах (места частых перепаек, подключения внешних проводников) устанавливаются металлические заклепки.

Количество перемычек обычно не превышает 5 % от числа печатных проводников. При автоматизированной сборке ПУ количество перемычек не должно быть более 3–4-х на 100 см2 площади ПП.

Таким образом, при отсутствии специальных требований, например, по увеличению надежности, первоначально желательно выбирать одностороннюю плату.

1.6.2. Выборматериалаоснования

Материал основания ПП (табл. 1.6) выбирается исходя из: электрических характеристик (частотный диапазон, пробивное напря-

жение и т. д.); климатических воздействий (температура и влажность);

стойкости к механическим воздействиям (прочность, жесткость, ударная вязкость и т. д.);

типа печатной платы (количество слоев) и способа ее изготовления. Материалы печатных плат выбирают по ГОСТ 10316–78 и

ОСТ 4.010.022–85.

В табл. 1.6, табл. 1.7, табл. 1.8 приведены данные, позволяющие определить необходимый материал основания, исходя из требований, предъявленных к ПП.

1.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

1.6.Выбор типа ПП, ее габаритов и материала основания