1.2. Изучение и анализ тз на изделие - анализ назначения, условий эксплуатации и группы жесткости эа, электрической принципиальной схемы и элементной базы.

Анализ назначения, условий эксплуатации, которые определяют группы жесткости, определяют конструкцию ПП, материал основания, форы защиты от внешних воздействий.

Различают три класса ЭА по объекту установки: наземная (стационарная, возимая, носимая и бытовая), морская и бортовая.

В табл. 2 и 3 представлены ограничения, которые необходимо учитывать при проектировании.

Табл. 2 Допустимые климатические воздействия по группам жесткости

Внешние факторы	Группа жесткости
	1	2	3	4
Пониженная температура, º С Повышенная температура. º С	-25 55	-40 85	-60 100	-60 120
Перепад температур, º С	-25/+55	-40/+85	-60/+100	-60/+120
Относительная влажность, % при температуре 35 º С	75	98	98	98
Атмосферное давление, Па	106000	53600	53600	666

Табл. 3 Значения механических воздействующих факторов по классам ЭА

Воздействующий фактор	Класс ЭА
	Наземная	Морская	Бортовая
Вибрация в диапазоне частот, Гц ускорение, g	10…70 1…4	0…120 1,5…2	5…2000 До 20
Многократные удары: Ускорение, g Длительность, мс	10…15 5…10	15 5…10	6…12 До 15
Одиночные удары, ускорение длительность	50…1000 0,5…10	До 1000 0,5…2	- -
Линейное ускорение, g	2…5	-	4…10

По результатам анализа электрической принципиальной схемы функционального узла (фу) и элементной базы определяют:

назначение ФУ (цифровой, аналоговый, выполняемые функции, принцип работы), диапазон рабочих частот и ширина полосы пропускания, быстродействие, рассеиваемая мощность, коэффициент усиления, величины действующих токов и напряжений. Полученные значения заносят в табл. 4.

При этом определяют ИЭТ, чувствительные к внешним электрическим, тепловым и другим взаимодействиям, емкостные и индуктивные помехи.

Табл. 4. Параметры электрической принципиальной схемы

Максимальная частота

Напряжение, В

Сила тока, А

Быстродействие, с

Уровни логической «1»

Уровни логического «0»

Цепь

Тяжелонагруженные ИЭТ

ИЭТ

Входная

Выходная

Земля

Питание

Высокочастотная

Импульсных сигналов

Критичные к нагреву

Критичные к воздействию электромагнитного поля

Анализ элементной базы. Используемая элементная база практически определяет эксплуатационные, технологические, экономические показатели ЭА. По конструктивному оформлению ИЭТ различают:

• корпусные с периферийным расположением выводов (планарные и штыревые, предназначенные для монтажа в металлизированные отверстия PTH – Plated Through- hole) – традиционная элементная база;

• корпусные без выводов, с укороченными планарными или j-образными выводами, уходящими под корпус; в виде матрицы шариковых выводов из припоя ; их называют микрокорпуса или поверхностно монтируемыми компонентами - ПМК (Surface Mounting Technology – SMT и SMD – Device );

• бескорпусные ИЭТ;

• нестандартные компоненты.

В таблице 5 приведена информация по некоторым распространенным корпусам компонентов. Размеры приведены в милах (1 mil = 0,0254 мм).

Рис. 2. PТН- компоненты

Рис. 3. SMD-компоненты

Таблица 5.

Группа	Типы корпусов в группе	Габариты корпусов	Шаг выводов	Рис.
С одним рядом выводов — SIL	TO-92TO-202, TO-220 и др.	380x190, 1120x135,420x185…	100 мил	Рис. 2, а
С двумя рядами выводов — DIL	MDIP, CerDIP	250x381…577x2050	100 мил	Рис. 2, б
С радиальными выводами	TO-3, TO-5, TO-18	-	-	Рис. 2, в
С осевыми выводами		-	-	Рис. 2, г
Решетки — Grid	CPGA, PPGA	286x286…2180x2180 мил	20…100 мил	Рис. 2, д
Компоненты, монтируемые на поверхность
С двумя рядами выводов — DIL	«SOT-23, SSOP, TSOP, SOIC»	55x120…724x315 мил	25…30 мил	Рис. 3, а-б
С выводами по сторонам квадратного корпуса — Quad Package	LCC, CQJB, CQFP, Cer Quad, PLCC, PQFP	350х350 мил …20x20 мм	50 мил…0,5 мм	Рис. 3, в
Решетки — Grid	BGA, mBGA	-	0,75 мм	Рис.3, а,б

В настоящее время широко используются корпуса BGA (ball grid arrays - матрица шариковых выводов), (mBGA) которые имеют 672 вывода с шагом 0,75 мм. На рис. 4, а изображена нижняя поверхность корпуса BGA, на которой видны шариковые выводы, а на рис. 4, б — вид этого корпуса в разрезе.

Рис. 4. Корпус BGA

Корпуса для поверхностного монтажа примерно вдвое, втрое меньше своих аналогов, монтируемых в отверстия [11]. Существующие компоненты классифицируются по типу корпусов.

1. Простые корпуса для пассивных элементов:

а) безвыводные корпуса прямоугольной формы, например резисторов и конденсаторов (чип – компоненты);

б) корпуса типа MELF (Metal Electrode Face Bonded – с вмонтированными электродами в виде металлизированных торцов).

2. Сложные корпуса для многовыводных полупроводниковых приборов:

а) малогабаритный транзисторный корпус SOT (Small Outline Transistor);

б) малогабаритный корпус для интегральных схем SO (Small Outline);

в) увеличенный малогабаритный корпус для ИС – SOL (Small Outline Large);

г) пластмассовые с выводами PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier);

д) безвыводные керамические LCCC (Leadless Ceramic Chip Carrier);

е) керамические с выводами LDCC (Leaded Ceramic Chip Carrier) .

Чип – резисторы. Чип - конденсаторы. Безвыводный корпус прямоугольной формы чаще всего используется для реализации пассивных компонентов, таких как резисторы и конденсаторы. Конструкция представлена на рисунке 3.1. Для указания геометрических размеров таких корпусов используется краткая форма обозначения, например 0805 означает, что компонент имеет длину 0,08 дюйма (2,0 мм) и ширину 0,05 дюйма (1.25 мм) [11]. Типоразмер 0805 является практически промышленным стандартом; применяются также корпуса 1206 и 0603 типоразмеров.

Конструкция и габаритные размеры прямоугольного чип корпуса.

Типоразмер	Размеры, мм
	L	W	T	M
1206	3,048	1,524	0,55	0,5
0805	2,032	1,27	0,5	0,4
0603	1,524	0,762	0,45	0,3
1210	3,048	2,54	1,0	0,75

Рисунок 5 Таблица 6

При монтаже прямоугольных чипов особое внимание следует уделять решению проблем их пайки на ПП. Важно выбрать правильную топологию контактных площадок, которая зависит от метода пайки, т.е. применяется ли пайка волной либо пайка расплавлением дозированного припоя (РДП).

Знакоместо прямоугольного чип - корпуса при пайке РДП.

Типоразмер корпуса	Размеры, мм
	А	В	С	D
0805	0,8	3,4	1,3	1,4
1206	1,8	4,6	1,4	1,7

Рисунок 6 Таблица 7

Корпус типа MELF. Данный корпус представляет собой безвыводный вариант стандартного резистора или конденсатора с выводами (рис. 7). В корпусах типа MELF изготавливают кремниевые диоды, высокочастотные катушки индуктивности, танталовые конденсаторы, др. Стандартные типоразмеры MELF обычно рассчитаны на такую же топологию контактных площадок, что и компоненты с выводами [11].

Рис. 7. Габаритные размеры корпуса MELF.

Талица 8. Геометрические размеры корпуса MELF.

Тип компонента	Размеры, мм
	L	C(min)	D1	D2
RD41B2E	5,90,2	0,5	2,20,1	2,20,1
RD41B2D	3,20,2	0,5	1,50,1	1,60,15

Установка корпусов типа MELF может быть затруднена в случае, если компонент не контактирует с адгезивом в своей средней точке, т.к. конструкция корпуса имеет весьма незначительную контактную зону с каплей адгезива, имеющей в основном форму полусферы. Знакоместо корпуса SOD-80, диода, показано на рис. 8. Уменьшение контактной зоны компонента с адгезивом увеличивает вероятность смещения корпуса MELF с места установки до отверждения адгезива, особенно если плата со сборкой в момент отверждения не находится точно в горизонтальном положении [11].

Знакоместо корпуса SOD-80 (мини-MELF).

Способ пайки	Размеры, мм
	A	B	C	D
Пайка РДП	2,4	5,2	1,4	1,4
Волной припоя	2,5	5,0	1,25	2,0

Рисунок 8 Таблица 9

Транзисторный миникорпус SOT применяется для корпусирования дискретных полупроводниковых приборов. Конструкции некоторых компонентов представлены на рисунке.

Таблица 10. Геометрические размеры корпусов транзисторов типа SOT.

Количество выводов	Размеры, мм
	A		B		C		D
	мин.	макс.	мин.	макс	мин.	макс.	мин.	макс
8	5,79	6,20	3,81	3,99	4,80	5,00	1,35	1,75
14	5,79	6,20	3,81	3,99	8,56	8,7	1,35	1,75
16	5,79	6,20	3,81	3,99	9,80	10,01	1,35	1,75

Рисунок 9. Корпуса транзисторов типа SOT.

Знакоместо для транзистора в корпусе SOT-23.

ТАБЛИЦА 11
Способ пайки	Размеры, мм
	A	B	C	D	E	F
Пайка РДП	1,2	2,6	0,7	1,1	2,6	-
Пайка волной припоя	0,8	3,4	1,3	1,3	1,2	3,8

Рисунок 10

Интегральные схемы в миникорпусе [SO (IS)/SOL]. Данные МС представляют собой уменьшенный вариант традиционного корпуса с двухрядным расположением ленточных выводов (типа DIP). Миникорпуса поставляются в 8-ми, 14-ти и 16-ти и т.д. выводном исполнении; выводы имеют форму крыла чайки и расположены с шагом 1,27 мм.

ТАБЛИЦА 12
Типоразмер корпуса	Размеры, мм
	A	B	C	D	E
SO-8, 14, 16	4,0	7,0	1,5	0,6	1,27
SOL-16,20,24,28	7,8	11,4	1,8	0,6	1,27
SOL-8	9,0	13,2	2,1	0,6	1,27

Рисунок 11. Знакоместо корпуса ИС типа SO

Корпуса типа SO стандартизованы с числом выводов 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 20, 24, 28 ( публикация МЭК 191-2; стандарт JC11, JEDEC, США). Выводы этих корпусов имеют форму «крыла чайки».

Расчет топологии посадочных мест поверхностно-монтируемых компонентов.

В случае использования корпуса типа SO значение длины контактной площадки выбирается в пределах (1,27 – 1,78) мм. Значение ширины контактной площадки для данного типа корпуса варьируется в пределах (0,508 – 0,889) мм [11]. Нижние пределы соответствуют 4 классу точности, а верхние 3 классу точности изготовления ПП по ГОСТ 23751 – 86.

В выбираем размеры контактной площадки для корпуса типа SO (1,7 x 0,8) мм, пример: рис. 12.

Габариты корпуса и топология посадочного места для микросхемы PD4069UBG/SO14

Рис. 12.

Пример расчета топологии посадочного места под пассивный компонент показан на рисунке 13. Данная топология в данном случае пригодна как для методов пайки волной припоя, так и для пайки оплавлением дозированного припоя.

Рис. 13. Универсальное посадочное место под пассивный компонент.

L – длина компонента; W – ширина компонента; Т – высота компонента; М – длина вывода.

Для более точного расчета галтели припоя, необходимо иметь ширину контактной площадки равной Т+М+ зазор (зазор это расстояние от платы до компонента). Он задан как исходные данные и равен 75 мкм.

Посадочные места ряда SMD - компонентов в таблице 13.

Таблица 13 – Посадочные места SMD - компонентов

Обозначение компонента	Габаритные размеры компонента, мм				Габариты посадочного места, мм
	L	W	T	M
CR0805	2,0,	1,25	0,5	0,4	0,975 х 1,5
CR1206	3,2;	1,6	0,55	0,5	1,125 x 1,85
СС0805	2,0;	1,25	0,9	0,5	1,475 х 1,5
SOT -23	1,29;	0,431	0,114	0,43	0,7 x 0,6

Размещение компонентов и печатных проводников на поверхности ПП:

- все поверхностно-монтируемые компоненты желательно размещать на одной стороне платы. В случае если это условие выполнить невозможно, следует разделить компоненты на «легкие» и «тяжелые» и размещать их на разных сторонах платы. Например, пассивные компоненты, разместить на одной стороне, микросхемы на другой;

- размеры площадок должны соответствовать рекомендуемым для данного типоразмера корпуса (информацию о размерах площадок можно уточнить в тех. документации на компонент либо в стандарте IPC-782);

- зазоры между компонентами должны быть не менее указанных на рис. 14;

- компоненты должны располагаться не ближе 1.25 мм от края заготовки;

- расстояние от края неметаллизированного отверстия до контактной площадки или проводника должно быть не менее 0.5 мм;

Рис. 14. Рекомендации по расположению SMD - компонентов

В результате анализа элементной базы определяют: совместимость ИМС, ИЭТ по электрическим, конструктивным, электромагнитным, тепловым и другим параметрам, а также по условиям эксплуатации; совместимость ИЭТ по надежности; соответствие компонентов по условиям эксплуатации.

Табл. 14

Наименование ИЭТ

Количество, шт

Конструктивные параметры

Допустимые условия эксплуатации

Масса, г

Количество выводов, шт

Диаметр вывода, мм

Штыревые или планарные

Установочная площадь, м2 ·10-6

Надежность

Диапазон температур

Вибрации

Ударные перегрузки, g

Линейные ускорения, g

Частота, Гц

Перегрузки, g

Шаг координатной сетки является основной конструктивной характеристикой ПП, которая характеризует плотность печатного монтажа. Координатная сетка — ортогональная сетка, определяющая места раcположения соединений ИЭТ с ПП. Шаг координатной сетки гарантирует совместимость ПП, ИЭТ, т. е. всех составных элементов, которые монтируют в узлах координатной сетки на ПП.

Для размещения соединений на ПП основным шагом координатной сетки является шаг 0,50 мм в обоих направлениях. Ранее (до 1998 г.) основным шагом координатной сетки был шаг 2,5 мм; дополнительными — 1,25; 0,625 мм. Если координатная сетка номинальным шагом 0,50 мм не удовлетворяет требованиям конкретной конструкции, то должна применяться координатная сетка с основным шагом 0,05 мм. Шаг координатной сетки выбирают в соответствии с шагом большинства ИЭТ, устанавливаемых на ПП.

Отверстия печатных плат. Диаметры монтажных и переходных отверстий, металлизированных и неметаллизированных, должны соответствовать ГОСТ 10317—79. Монтажные отверстия — отверстия для установки ИЭТ. Переходные отверстия — отверстия для электрической связи между слоями или сторонами ПП.

Главный параметр отверстия – диаметр (d), который у неметаллизированных отверстий совпадает с диаметром сверления (d_с). Диаметр металлизированных отвер­стий отличается от диаметра сверления на двойную тол­щину металлизации.

Размеры монтажных отверстий определяются диаметром и сечением выводов элементов, монтируемых в эти отверстия. Если вывод некруглый в сечении, то параметры отверстия в печатной плате диктуются максимальным размером выво­да в сечении (например, диагональю).

В любых металлизированных отверстиях следует предусматривать гарантиро­ванный зазор (не менее 0,1 мм) для заполнения металлизированного отверстия расплавленным припоем.

У печатных плат с гладкими отверстиями (однослойных и двухслойных без металлизации) диаметр рассчитывается только из условий собираемости. В мно­говыводных компонентах, например, микросхемах со штыревыми выводами, раз­ница между диаметром отверстия и размером вывода не должна быть меньше сум­мы допусков на точность положения выводов и отверстий на печатной плате (для всех типов плат).

У печатных плат, предназначенных для автоматизированной сборки, этот зазор должен составлять 0,4-0,5 мм.

Максимальный размер отверстия ограничен особенностями пайки выводов. В случае гладких отверстий, куда припой не попадает, а пайка осуществляется только на поверхности контактной площадки в виде выпуклого мениска, разница в размерах не должна превышать 0,3 мм. Если отверстия металлизированные, то разница более 0,5 мм недопустима, иначе припой при некоторых режимах пайки может вытекать.

Диаметры отверстий печатных плат (гладких и металлизированных) выбираются из ряда, соответствующего ГОСТ 10317-79, который включает в себя диаметры от 0,4 до 3,0 мм через 0,1 мм, кроме диметров 1,9 и 2,9 мм.

Предпочтительные диаметры отверстий выбирают из ряда 0,7; 0,9; 1,1; 1,3;1,5; мм, предпочтительные диаметры переходных отверстий 0,7; 0,9; 1,1 мм.

Предельные отклонения размеров отверстий (допуск), оговоренные ГОСТ 23.751-86, представлены в табл. 15.

Таблица 15

Диаметр отверстия	Металлизация отверстия	Класс точности
		1 и 2	3 и 4	5
До 1,0мм (включительно)	Без металлизации	± 0,1	±0,05	±0,025
	С металлизацией без оплавления	+0,05 -0,15	0; -0,1	0; -0,075
	С металлизацией и оплавлением	+0,05 -0,18	0; -0,13	0; -0,13
Свыше 1,0мм	Без металлизации	±0,15	±0,1	±0,1
	С металлизацией без оплавления	+0,1 -0,2	+0,05 -0,15	+0,05 -0,15
	С металлизацией и оплавлением	+0,1 -0,23	+0,05 -0,18	+0,03 -0,18

Диаметры переходных отверстий выполняют аналогично монтажным, но во всех случаях стараются сделать их с минимальными размерами, допустимыми для конкретной толщины печатной платы.

Контактные площадки отверстий - КП. Контактные площадки ПП подразделяются на два самостоятельных вида: