4 Конструкторские расчеты

4.1 Расчет печатного монтажа

4.1.1 Выбор метода изготовления и класса точности ПП. Расчет печатного монтажа состоит из 3 этапов:

1. Расчет по постоянному току.

2. Расчет по переменному току.

3. Конструктивно-технологический расчет.

Для соединения радиоэлементов электрической схемы проектируемого устройства между собой в качестве базовой несущей конструкции выбираем двухстороннюю печатную плату. Учитывая, что при проектировании ПП используются интегральные схемы, а также высокий уровень насыщенности ПП навесными элементами по ГОСТ 23751-86 выбираем четвертый класс точности.

В соответствии с тем, что максимальный диаметр выводов навесных элементов, размещаемых на плате, равен 1,3 мм (резистора R₁, R₂, диодная сборка VD₉), то выбираем толщину платы равной 1,5 мм.

Для конструкции модуля используется двусторонняя печатная плата, изготовленные комбинированным позитивным методом. Материал изготовления печатной платы - стеклотекстолит фольгированный СФ-2Н-50Г-1,5 ГОСТ 10317-79.

Для рациональной компоновки проведем расчет элементов конструкции печатной платы в соответствии с ГОСТ 23751-86.

Исходные данные для расчета:

– толщина платы, мм: 1,5

– максимальный допустимый ток через проводники, А: 0,012

– допустимая плотность тока, i_доп, А/мм²: 38

– удельное сопротивление проводника, ρ, Ом∙мм²/м: 0,0175

– толщина фольги, h_ф, мкм: 50

– максимальная длина проводника, м: 0,055

– допустимое падение напряжения на проводнике, U_доп, %: 0,6

– расстояние между выводами микросхем, мм: 2,5

– максимальный диаметр выводов микросхем, мм: 0,5

– шаг координатной сетки, мм: 1,25

Основные конструктивные параметры печатных плат для четвертого

класса точности (ГОСТ 23751-86):

• минимальное значение ном. ширины проводника t_min1, мм 0,15;

• номинальное расстояние между проводниками S, мм 0,15;

• допуск на ширину проводника с покрытием t, мм 0,05;

• допуск на ширину проводника без покрытия t, мм 0,03;

• допуск на расположение отверстий _d, мм 0,05;

• допуск на расположение контактных площадок _p, мм 0,15;

• допуск на отверстие при его диаметре 1 мм d, мм ;

• допуск на расположение проводников на ДПП ₁, мм 0,03;

• гарантийный поясок b_м, мм 0,05.

4.1.2 Расчет по постоянному току. Допустимое падение напряжения на проводниках цепи питания +12 В не должно превышать 5 % от питающего напряжения U_доп1, В:

(6)

U_доп = 120,05 = 0,6 В

1. Минимальная ширина печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

(8)

где I_max – максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках, А;

i_доп – допустимая плотность тока, А/мм²;

h – толщина проводника, мм.

2. Минимальная ширина проводника, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

(9)

где ρ – удельное объемное сопротивление проводника, Ом∙мм²/м;

l – длина проводника, м;

U_доп – допустимое падение напряжения, В.

Вывод: исходя из проведенного расчета минимальной щирины проводника для цепей питания и заземления, значение минимальной ширины печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления b_min1 и минимальной ширины проводника, исходя из допустимого падения напряжения на нем, b_min2 по ГОСТ 23751-86 не должны быть меньше рассчитанных значений. Исходя из технических особенностей производства плат по 4 классу точности, выбираем ширину проводника, равной 0,15 мм. Это значение больше, чем b_min1 и b_min2:

b_min1 = 0,017 мм < 0,15 мм (10)

b_min2 = 0,00462 мм < 0,15 мм (11)

При полученных значениях ширины проводника печатная плата будет работать стабильно.

Расчет по переменному току не проводится из-за низкой частоты работы схемы, т.е. влиянием паразитных емкостей и индуктивностей проводников можно пренебречь.

4.1.3 Конструктивно-технологический расчет. В печатных платах применяются монтажные металлизированные отверстия для установки ЭРЭ и переходные металлизированные отверстия для создания электрических связей между слоями. Диаметр монтажного отверстия должен быть больше диаметра выводов навесных элементов на величину, удовлетворяющую условиям пайки и автоматической сборки ячеек.

Для максимального уплотнения монтажа диаметр переходных отверстий выбирается наименьший. Однако в связи ограниченной рассеивающей способностью электролитов при гальванической металлизации необходимо выдерживать предельное соотношение между минимальным диаметром металлизированного отверстия и толщиной платы

Определим минимальный диаметр металлизированного переходного отверстия:

(12)

где Н_рас – расчетная толщина платы (Н_рас = 1,5мм);

ν – отношение диаметра отверстия к толщине платы (ν = 0,33).

То есть получим, что: Д_{М min} = 0,495 мм.

С учетом требования минимизации количества различных диаметров отверстий сводим рассчитанное значение к значению из ряда предпочтительных размеров по ГОСТ 23751-86.

мм.

Определение номинального значения диаметров монтажных отверстий.

(13)

где Д_выв – максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ;

∆d_но – нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия (∆d_но = 0,05);

∆_з – разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ (∆_з = 0,1 мм).

Номинальное максимальное значение диаметра монтажных отверстий:

(14)

где – допуск на отверстие (∆d_но = 0,05);

– номинальный диаметр металлизированного отверстия, мм.

Для обеспечения минимизации числа различных диаметров монтажных отверстий полученные значения диаметров сведем к значениям из предпочтительного ряда по ГОСТ 23751-86. Тогда, с учетом требования минимизации числа различных диаметров монтажных отверстий, получим следующий набор диаметров, мм – 0,8, 1,0 и 1,3. Полученные результаты представим в таблице 3.

Таблица 3 – Параметры конструктивно-технологического расчета

ЭРЭ/Диаметры	Двыв	Д0	Д0max	Предпочтительный диаметр отверстия
DD1-DD3, C3, VD1-VD8, VS1	0,5	0,65	0,8	0,8
С1-С2, VT1	0,6	0,75	0,9	1
R3-R5	0,7	0,85	1,0	1
R1-R2	0,9	1,05	1,2	1,3
VD9	1	1,15	1,3	1,3

Произведем расчет диаметров контактных площадок.

Минимальный диаметр контактных площадок для ДПП:

(15)

где h_г – толщина гальванической меди (в отверстиях около 0,025 мм).

Д_{1 min} – эффективный минимальный диаметр контактной площадки, вычисляемый по формуле:

(16)

где b_м – расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (гарантийный поясок), b_м = 0,05 мм;

и – допуски на расположение отверстий и контактных площадок

(; ).

Максимальный диаметр контактной площадки:

(17)

Представим результаты вычислений в таблице 4.

Произведем расчет ширины проводников.

Минимальная ширина проводника:

(18)

мм

где t_1min – минимальная эффективная ширина проводника (в соответствии с 4 классом точности ПП t_1min = 0,15 мм);

– допуск на ширину проводника (=0,05 мм).

Таблица 4 – Расчетные параметры конструкции монтажа

ЭРЭ/Диаметры	Двыв	Д0	Д0max	Предпочтительный диаметр отверстия	Д1min	Дmin	Дmax	Предпочтительный диаметр контактной площадки
DD1-DD3, C3, VD1-VD8, VS1	0,5	0,65	0,8	0,8	1,35	1,3875	1,41	1,6
С1-С2, VT1	0,6	0,75	0,95	1	1,45	1,4875	1,51	2,0
R3-R5	0,7	0,85	1,0	1	1,55	1,5875	1,61	2,0
R1-R2	0,9	1,05	1,2	1,3	1,75	1,7875	1,81	2,3
VD9	1	1,15	1,3	1,3	1,85	1,8875	1,91	2,3

При формировании проводников на фольгированном диэлектрике их минимально допустимая в производстве ширина определяется, прежде всего, адгезионными свойствами материала основания и гальванической стойкостью оксидированного слоя фольги, так как браком является даже частичное отслаивание проводника от основания диэлектрика. Поэтому минимальную эффективную ширину t_min1 выбирают в соответствии с классом точности печатных плат по ГОСТ 23751-86.

Максимальная ширина проводника:

(19)

мм

Произведем расчет минимальных зазоров между элементами проводящего рисунка.

Минимальный зазор между проводником и контактной площадкой:

(20)

где L_Э – расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

δ_l – допуск на расположение проводников (δ_l = 0,03 мм).

Для диаметра 0,8:

Для диаметра 1,0:

Так как получилось отрицательное значение величины , это свидетельствует об отсутствии зазора между элементами проводящего рисунка, проведем расчет, увеличив расстояние между центрами элементов L_Э на величину шага координатной сетки.

Для диаметра 1,3:

Минимальный зазор между двумя проводниками:

(21)

Для L_Э = 1,25 мм:

мм

Минимальный зазор между двумя контактными площадками:

(22)

Для диаметра 1,6:

мм

Для диаметра 2,0:

мм

Для диаметра 2,3:

мм

Так как получилось отрицательное значение величины , увеличиваем расстояние между центрами рассматриваемых элементов, то есть L_Э = 3,75 мм.

мм

При комбинированном позитивном способе изготовления печатной платы зазор между проводником и контактной площадкой должен быть не менее 0,15 мм.

Таким образом, из результатов расчета получаем, что расстояния между элементами проводящего рисунка больше минимально допустимых и параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъявляемым к печатным платам четвертого класса точности изготовления.