2. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ ЭРЭ И ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

Помимо правил и ограничений, приведенных в главе 1 и подлежащих обязательному исполнению при проведении топологического проектирования ПП существует ряд рекомендаций, применение которых позволяет улучшить технологичность, повысить надежность и качество функционирования аппаратуры с применением печатного монтажа. Эти рекомендации и будут рассмотрены в данном разделе.

2.1. РекомендациипоразмещениюЭРЭ

Как было отмечено в параграфе 1.9, выбор варианта установки эдектрорадиоэлементов и размещение их на печатной плате проводится с учетом: минимизации паразитных связей между функциональными узлами, возможности автоматизированной установки компонентов, обеспечения необходимой механической прочности и выполнения регулировочных работ, связанных с многократной перепайкой ЭРЭ.

Рассмотрим эти положения на конкретных примерах.

При размещении нескольких ФУ на одной ПП обычно в схеме предусматриваются блокировочные конденсаторы Сбл (конденсаторы С1 – СN на рис. 2.1) для шунтирования паразитных сигналов по гальваническим цепям (цепи питания). Блокировочные конденсаторы устанавливаются в случае применения цифровых микросхем, при этом в технических условиях (ТУ) на данные изделия указывается, на какое количество МС устанавливается блокировочный конденсатор и какой емкости.

Рис. 2.1. Введение шунтирующих конденсаторов для устранения гальванических паразитных связей

На этапе конструктивной реализации предложенных схемотехнических решений блокировочный конденсатор можно применить и для

2.ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ ЭРЭ И ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

2.1.Рекомендации по размещению ЭРЭ

экранирования [37]. На рис. 2.2 показан вариант размещения блокировочных конденсаторов с созданием экранирующего эффекта. При этом если блокировочный конденсатор является электролитическим, желательно выбирать такое его конструктивное исполнение, в котором корпус соединен электрически с одной из обкладок (например К50 и т. п.).

Расположение электрорадиоэлементов относительно друг друга может влиять на технологичность ПП при автоматизированной установке ЭРЭ. На рис. 2.3 приведена схема электрическая принципиальная мультивибратора, выполненная на дискретных компонентах.

Рис. 2.3. Схема электрическая принципиальная мультивибратора

На рис. 2.4 изображены два варианта топологии: первоначальный – рис. 2.4, а и оптимизированный – рис. 2.4, б. Эти варианты, с точки зрения правильности выполнения электрических соединений, величин паразитных связей, занимаемой площади, практически совпадают.

Однако оптимизированный вариант (рис. 2.4., б) более технологичен, так как однотипные элементы расположены параллельно друг другу и в процессе автоматизированной установки печатная плата будет перемещаться

2.ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ ЭРЭ И ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

2.1.Рекомендации по размещению ЭРЭ

Вариант, предусматривающий установку корпуса транзистора в отверстие на ПП (рис. 2.5, а) обеспечивает уменьшение толщины печатного узла (Нпу) по сравнению с вариантом установки Vа (прил. 3, табл.. П 3.1), что, в ряде случаев, позволяет уменьшить объем блока, кассеты и т. п. К недостаткам этого варианта установки можно отнести наличие дополнительных отверстий на ПП, снижающих механическую прочность платы, усложняющих технологический процесс производства печатной платы и уменьшающих площадь поверхностей, где возможна прокладка проводников.

Транзисторы, установленные, как показано на рис. 2.5, б, могут работать при таких же механических воздействиях, как и установленные по варианту V (табл. П 3.1., прил. 3), однако обеспечивают более надежный электрический контакт с корпусом. Такая установка применяется, в основном, для крепления высокочастотных транзисторов типа ГТ 311, ГТ 313 т. п.

ОСТ 4.010.030–81 предусматривает установку электролитических конденсаторов с однонаправленными выводами по двум вариантам (табл. П 3.1., прил. 3): Iа и IIв. При выборе варианта IIв предусматривается гарантированный зазор (Нуст) между платой и компонентом (рис 2.6, а). Величина зазора в соответствии с ОСТ 4.010.030–81 определяется типом конденсатора. Для конденсаторов, устанавливаемых вручную, а также небольших диаметра (до 10 мм) и высоты (до 15 мм), часто изоляционных прокладок не устанавливают. При увеличенных габаритных размерах, особенно высоты (Нэрэ), обычно применяют фиксирующие прокладки из электроизоляционного материала (электротехнического картона, реже текстолита) (рис. 2.6, б). При повышенных требованиях по устойчивости к механическим воздействиям осуществляют дополнительную фиксацию клеем (рис. 2.6, б).

Вариант установки конденсатора в полимерный (обычно полиэтиленовый) стакан (рис. 2.6, в) кроме обеспечения гарантированного зазора защищает и от возможного электрического контакта с корпусом, особенно в случае близкого расположения конденсаторов друг от друга. Основной недостаток этого варианта установки – проблематичность в дополнительном приклеивании по сравнению с вариантом, представленным на рис. 2.6, б. При необходимости возможно применение обволакивания защитными лаками.

Наиболее качественную защиту от механических воздействий обеспечивает вариант Iа (см. ОСТ 4.010.030–81) при применении дополнительного крепления проволочным хомутом (рис. 2.6, г). Отличительной особенностью данного варианта является повышение плоскостности за счет увеличения установочной площади.

С целью фиксации ЭРЭ на месте установки и увеличения прочности может проводиться дополнительная формовка вывода в зоне пайки (рис. 2.7).

2.ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ ЭРЭ И ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

2.1.Рекомендации по размещению ЭРЭ

Рис. 2.6. Установка электролитических конденсаторов с однонаправленными выводами: а) – по варианту IIв (табл. П 3.1, прил. 3); б) – по варианту IIв с диэлектрической прокладкой, в) – в полимерный стакан; г) – по варианту Iа

(табл. П 3.1, прил. 3) с дополнительным креплением проволочным хомутом

гд

Рис. 2.7. Формовка выводов в зоне пайки: а – без изгиба; б – изгиб под углом; в – изгиб по кругу; г – изгиб вдоль платы; д – U-образный изгиб

Кроме проблематичности в применении автоматизированной сборки ПП дополнительный загиб проводника не всегда приводит к увеличению прочности паяного соединения, так как форма вывода влияет на качество слоя припоя:

•вывод выходит под прямым углом (рис. 2.7, а) – слой припоя равномерный, возможна автоматическая сборка;

•вывод изогнут под углом (рис. 2.7, б) – слой припоя удовлетворительный; возможна автоматическая сборка;

•вывод изогнут по кругу (рис. 2.7, в) – слой припоя удовлетворительный; автоматическая сборка невозможна;

2.ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ ЭРЭ И ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

2.1.Рекомендации по размещению ЭРЭ

•вывод изогнут вдоль обратной стороны платы (рис. 2.7, г) – слой припоя удовлетворительный; возможна автоматическая сборка;

•вывод изогнут U-образно (рис. 2.7, д) – слой припоя неудовлетворительный; автоматическая сборка невозможна.

Обычно предпочтение всегда отдается схемотехническим решениям, в которых исключены ЭРЭ, подбираемые при регулировке. Однако в ряде случаев (высокоточные аналоговые измерительные схемы, времязадающие RCцепи многозвенных фильтров высокого порядка и т. п.) применения таких элементов не избежать. При введении таких элементов в схему электрическую необходимо предусматривать такие конструктивно-технологические решения при проектировании ПП, которые позволяли бы осуществлять многократную перепайку навесных компонентов.

Наиболее просто эта задача решается в случае применения безвыводных ЭРЭ (рис. 2.8). Исходная электрическая приципиципиальная схема (рис. 2.8, а) модифицируется (рис. 2.8, б).

Рис. 2.8. Установка подборных безвыводных ЭРЭ: а – исходная электрическая схема; б – модифицированная схема; в – расположение резисторов на плате

При изменении схемы подбираемый при регулировке резистор R*

(рис. 2.8, а) заменяется на два: R1 и R2* (рис. 2.8, б). Величина сопротивления R1 выбирается из стандартного ряда равной или немного больше максимально возможного значения R*, а сопротивление R2* » R1. Подбор необходимой величины сопротивления производится параллельной установкой R1 и R2* (рис. 2.8, в). При этом резистор R2* может перепаиваться многократно.

Рис. 2.9. Установка подборных ЭРЭ с выводами: а – в отверстия с пустотелыми заклепками; б – на стержневой монтажный лепесток

2.ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ ЭРЭ И ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

2.1.Рекомендации по размещению ЭРЭ

Если подборные компоненты имеют выводы, то обычно используются два варианта их установки: в пустотелые заклепки (рис. 2.9, а) и на монтажные лепестки разной конструкции (рис. 2.9, б). Первый вариант предпочтительнее, так как использует стандартную формовку выводов ЭРЭ и установка заклепок более технологична.

2.2. Рекомендациипоразмещениюэлементов печатногорисунка

Качество готового изделия, в частности печатной платы, во многом определяется выбранной технологией пайки ЭРЭ. Прогрессивный метод пайки – пайка волной припоя, накладывает дополнительные ограничения на вид и расположение элементов печатного рисунка. Основные требования, обусловленные применением указанного технологического процесса, следующие:

1.Проводники должны быть расположены равномерно по плате и параллельно друг другу. Это позволяет избежать перегрева отдельных участков платы, так как теплоемкость и теплопроводность фольги и материала основания очень различаются.

2.Не должно быть более трех проводников, выходящих из одной контактной площадки под углом менее 45°. В противном случае возможно собирание капель припоя в указанных местах.

3.Дорожки должны иметь по возможности один размер и не превышать размер контактной площадки.

4.Не должно быть резких перегибов проводников для избежания собирания припоя в капли в таких местах.

5.Не должно быть контактных площадок избыточной площади (более

прочностью.

6. Необходимо избегать пересечения одной дорожкой другой, если их толщины отличаются более чем в два раза.

Конструктивная реализация некоторых рекомендаций по прокладке проводников представлена на рис. 2.10.

Особо следует остановиться на Т-образных соединениях проводников (рис. 2.10, а, г). Как правило, такая реализация соединений приводит к уменьшению суммарной длины проводников и исключению острого угла между проводниками, выходящими из одной контактной площадки. Однако этот вариант не обеспечивает параллельности дорожек с направлением волны припоя при пайке волной припоя. Поэтому в современных пакетах САПР ПП при настройке программ-трассировщиков можно разрешить или запретить формирование Т-соединений при автоматизированной разводке. Как правило, такое соединение может "безболезненно" применяться для двухсторонних

2.ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ ЭРЭ И ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

2.2.Рекомендации по размещению элементов печатного рисунка

ПП в проводящем слое, расположенном со стороны установки электрорадиоэлементов (за исключением плат с поверхностным монтажом компонентов при пайке волной припоя).

Рис. 2.10. Топология некоторых вариантов соединений проводников Рекомендуется

а

б

в

г

д

е

Рис. 2.11. Способы формирования контактных площадок

2.ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ ЭРЭ И ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

2.2.Рекомендации по размещению элементов печатного рисунка

Вряде случаев рекомендуется замена Т-образных соединений на Y-образные (рис. 2.10, г) [28]. Такое построение соединений позволяет уменьшить самовозбуждение схем усилительных каскадов.

На рис. 2.11 представлены рекомендуемые и нерекомендуемые способы формирования контактных площадок [37].

Несимметричное расположение контактной площадки относительно проводника (рис. 2.11, а, в) приводит и к асимметрии паяного соединения. В случае выполнения широких проводников в зоне контактной площадки (рис. 2.11, б, г, д, е) возможно вытекание расплавленного припоя из области

паяного соединения (монтажных отверстий) в сторону широкого проводника, что снижает качество пайки. Один из методов борьбы с указанным эффектом (кроме приведенных на рис. 2.11) предполагает наличие паяльной маски (например эпоксидной), однако он увеличивает стоимость ПП.

При формировании контактных для выводов микросхем и микросборок на контактной площадке, к которой будет припаян первый вывод делают ключ в виде "усика", направленного в сторону от проводников (см. рис. 1.16), либо КП должна иметь вид отличный от остальных. Такое решение уменьшает количество ошибок при установке многовыводных компонентов.

2.3. Топологическоепроектированиесхемнаоперационных усилителях, свысокимвходнымсопротивлением

Разработка устройств на операционных усилителях с малым током смещения (менее 1 нА) требует специальной компоновки печатной платы. И чем меньше ток смещения (например, для микросхемы LMC6001 типичное значение составляет меньше 10 фA), тем больше паразитное влияние токов утечки, которые сводят на нет все преимущества сверхмалого тока смещения.

Существует два потенциальных источника утечки [40]. Первый – это корпус микросхемы. При наличии пленки соли или жира, оставленной на поверхности корпуса после прикосновения к нему руками, по ней могут протекать дополнительные токи утечки. Основной метод борьбы в этом случае – принятие специальных мер предосторожности в течение всех фаз контроля, испытаний и сборки.

Другой источник токов утечки – утечка по поверхности печатной платы. Даже если расчетная величина таких токов чрезвычайно мала, то под воздействием высокой влажности, пыли или загрязнения, поверхностная утечка может стать довольно заметной.

Конструктивное решение минимизации поверхностной утечки – это введение защитных колец в проводящем слое ПП, полностью окружающих входы микросхемы и выводы других элементов (конденсаторов, резисторов, диодов и т. д.), подключенных ко входам операционного усилителя

(рис. 2.12) [40].

2.ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ ЭРЭ И ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

2.3.Топологическое проектирование схем на операционных усилителях, с высоким входным сопротивлением

+вх - вх

Защитное

кольцо

Рис. 2.12. Формирование защитного кольца на ПП

Максимальный эффект достигается, если защитные кольца располагаются как с верхней, так и с нижней стороны печатной платы. Электрически печатные проводники защитных колец должны быть подключены к тому же потенциалу, что и входа усилителя, так как ток утечки не может протекать между двумя эквипотенциальными проводниками. На рис. 2.13 показаны варианты подключения защитного кольца для стандартных схем включения операционного усилителя [40].

+

в

Рис. 2.13. Стандартные схемы включения операционного усилителя

Рассмотрим, насколько эффективно применение защитного кольца для микросхемы LMC6001, имеющей большое входное сопротивление [40]. Например, если сопротивление между двумя проводниками составляет 1012 Ом, что обычно считается очень высоким сопротивлением, то ток утечки может достигать 5 пA при разности потенциалов между проводниками 5 В. Это ухудшает фактические параметры примерно в 500 раз. Если используется защитное кольцо и его потенциал поддерживается в пределах 1-го мВ от входного потенциала, то же самое сопротивление (1012 Ом) приведет к току

2.ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ ЭРЭ И ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

2.3.Топологическое проектирование схем на операционных усилителях, с высоким входным сопротивлением

утечки всего в 10 фA. Но даже эта небольшая утечка ведет к заметному ухудшению предельных входных параметров LMC6001.

Уменьшить токи утечки дополнительно к предложенному варианту можно, отказавшись от преимуществ печатного монтажа (рис. 2.14) [40].

Рис. 2.14. Пример использования объемного монтажа

Монтаж входного вывода усилителя на дополнительный лепесток (желательно с керамическим основанием) позволяет снизить на несколько порядков токи утечки. Однако этот вариант требует применения оригинальной формовки выводов ЭРЭ и ручной пайки.