lec12 Проектирование печатных плат (Лекции проф Давыдова УГГИ), страница 2

12.2. проектирование и расчет печатных плат [1, 3, 4]

Задачи конструирования печатных плат. В РЭА печатные платы применяют 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 электриче­скую принципиальную схему РЭА и ее узлов. При разработке конструкции печатных плат решаются следующие взаимосвязанные между собой задачи:

1) схемотехнические - трассировка печатных проводников, минимизация слоев и т.д.;

2) радиотехнические - расчет паразитных наводок, параметров линий связи и пр.;

3) теплотехнические - температурный режим работы ПП, теплоотводы;

4) конструктивные - размещение элементов на ПП, контактирование и пр.;

5) технологические - выбор метода изготовления, защита и пр.

Основные правила конструирования печатных плат.

1. Максимальный размер стороны ПП не должен превышать 500 мм. Это ограничение определяется требованиями прочности и плотности монтажа.

2. Соотношения размеров сторон ПП для упрощения компоновки блоков и унификации размеров ПП рекомендуются следующие: 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 3:2, 5:2 и т.д.

3. Выбор материала ПП, способа ее изготовления, класса плотности монтажа должны осуществляться на стадии эскизного проектирования, так как эти характеристики определяют многие электрические параметры устройства..

4. При разбиении схемы на слои следует стремиться к минимизации числа слоев. Это диктуется экономическими соображениями.

5. По краям платы следует предусматривать технологическую зону шириной 1,5-2,0 мм. Размещение установочных и других отверстий, а также печатных проводников в этой зоне не допускается.

6. Все отверстия должны располагаться в узлах координатной сетки. В крайнем случае, хотя бы первый вывод микросхемы должен располагаться в узле координатной сетки.

7. На печатной плате должен быть предусмотрен ориентирующий паз (или срезанный левый угол) или технологические базовые отверстия, необходимые для правильной ориентации платы.

8. Печатные проводники следует выполнять минимально короткими.

9. Прокладка рядом проводников входных и выходных цепей нежелательно во избежание паразитных наводок.

10. Проводники наиболее высокочастотных цепей прокладываются в первую очередь и имеют благодаря этому наиболее возможно короткую длину.

11. Заземляющие проводники следует изготовлять максимально широкими.

Конструктивные особенности ПП. 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, 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.

Координатная сетка чертежа ПП необходима для координации эле­ментов печатного рисунка. В узлах пересечений сетки располагаются мон­тажные и переходные отверстия. 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 использовании микросхем зару­бежного производства с расстояниями меж­ду выводами по дюймовой системе допуска­ется использование шага координатной сетки, кратного 2,54 мм.

Диаметры монтажных и переходных отверстий (металлизированных и неметаллизированных) должны выбираться из ряда 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; U; 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.

Размеры ПП, если они специально не оговорены в ТЗ, определяются с учетом количества устанавливаемых элементов, их установочных площадей, шага установки, зон установки разъема и пр. Соотношение линейных размеров сторон ПП должно составлять не более 3:1.

Кривизна ПП (цилиндрическое или сферическое искривление основа­ния) может появиться в результате воздействия высокой температуры и влажности. Допустимое значение изгиба ПП на длине 100 мм составляет для ОПП и ДПП 1,5 мм; для МПП - 2,0 мм.

Расстояние между элементами рисунка, мм	Значение рабочего напряжения, В
	Фольгированный гетинакс (ГФ)	Фольгированный стеклотекстолит (СФ)
От 0,1 до 0,2	—	25
Свыше 0,2 до 0,3	—	50
Свыше 0,3 до 0,4	75	100
Свыше 0,4 до 0,5	150	200
Свыше 0,5 до 0,75	250	350
Свыше 0,75 до 1 ,5	350	500
Свыше 1,5 до 2,5	500	650

Допустимая плотность тока для ОПП, ДПП и наружных слоев МПП - 20 А/мм²; для внутренних слоев МПП - 15 А/мм². Допустимое рабочее на­пряжение между элементами проводящего рисунка, расположенными в со­седних слоях ПП и ГПК, зависит от материала основания печатной платы и не должно превышать значений, указанных в таблице слева.

Допустимые рабочие напряжения между элементами проводящего ри­сунка, расположенными на наружном слое ПП, зависят от материала осно­вания ПП, условий эксплуатации и не должны превышать следующих зна­чений (см. в таблице ниже).

Расстояние между элементами проводящего рисунка, мм	Значения рабочего напряжения, В
	Нормальные условия		Относительная влажность (93±3 )% при 40+2 °С в течение 48 ч		Пониженное атмосферное давление
					400 мм рт. ст.		5 мм рт. ст.
	ГФ	СФ	ГФ	СФ	ГФ	СФ	ГФ	СФ
От 0,1 до 0,2	—	25	—	15	—	20	—	10
От 0,2 до 0,3	30	50	20	30	25	40	20	30
От 0,3 до 0,4	100	150	50	100	80	ПО	30	50
От 0,4 до 0,7	150	300	100	200	ПО	160	58	80
От 0,7 до 1,2	300	400	230	300	160	200	80	100
От 1,2 до 2,0	400	600	300	360	200	300	100	130
От 2,0 до 3,5	500	830	360	430	250	400	ПО	160
От 3,5 до 5,0	660	1160	500	600	330	560	150	210
От 5,0 до 7,5	1000	1500	660	830	500	660	200	250
От 7,5 до 10,0	1300	2000	830	1160	560	1000	230	300
От 10,0 до 15,0	1800	2300	1160	1600	660	1160	300	330

Классы точности ПП. Отечественным стандартом ГОСТ 23751-86 предусматривается пять классов точности (плотности рисунка) ПП (см. таблицу). Выбор класса точности определяется достигнутым на производстве уровнем технологического оснащения. В КД должно содержаться указание на необходимый класс точности ПП.

Платы первого и второго классов точности просты в изготовлении, дешевы, не требуют для своего изготовления оборудования с высокими техническими показателями, но не отличаются высокими показателями плотности компоновки и трассировки.

Для изготовления плат четвертого и пятого классов требуется специализированное высокоточное оборудование, специальные материалы, безусадочная пленка для изготовления фотошаблонов, идеальная чистота в производственных помещениях, вплоть до создания "чистых" участков (гермозон) с кондиционированием воздуха и поддержанием стабильного температурно-влажностного режима. Технологические режимы фотохимических и гальвано-химических процессов должны поддерживаться с высокой точностью.

Массовый выпуск плат третьего класса освоен основной массой отечественных предприятий, поскольку для их изготовления требуется рядовое, хотя и специализированное оборудование, требования к материалам и технологии не слишком высоки.

З арубежными стандартами установлена другая классификация точности ПП. Эта классификация увязана с шагом проектирования и шагом расположения контактов компонентов. В таблице можно видеть, что из элементов печатного рисунка нормированы только ширина проводника и зазоры. Что касается самой точности, то оказывается, что платы самого грубого нулевого класса по точности превосходят платы массового отечественного третьего класса. Данные по шагам проектирования и шагу выводов связывают точность плат с применяемой компонентной базой, в частности, с типами корпусов ИМ.