Конструирование печатного модуля с использованием навесных элементов
2 Цель работы: Сконструировать печатный модуль согласно заданным условиям
эксплуатации.
3 Теоретические сведения
В соответствии с ГОСТ 20406-75 «Платы печатные. Термины и определения»
Печатный узел– печатная плата с подсоединенными к ней электрическими и механическими элементами и (или) другими печатными платами с обозначением всех процессов обработки (пайка, покрытие и т. д.). Таким образом, печатный узел является сборочной единицей, которая включает печатную плату, электрорадиоэлементы,
элементы контроля, коммутации, элементы несущих конструкций (рамки, планки, накладки, защелки и т. д.).
Печатная плата (ПП)– материал основания, вырезанный по размеру, содержащий необходимые отверстия и рисунок проводников.
Конструкцию любого электронного средства рассматривают как некоторое структурное образование, составные части которого соподчинены. К нулевому иерархическому уровню относится элементная база устройства (микросхема, транзистор и т.п.). Печатный узел располагается на первом уровне конструктивной иерархии, он вклю
чает элементы нулевого уровня и, следовательно, его конструкция зависит от конструкции ЭРЭ.
Последовательность конструирования печатных узлов сформулирована в ОСТ 4.010.022-85 в виде основных этапов. Каждый следующий заголовок является заголовком соответствующего этапа.
Этап 1. Определение типа и класса точности печатной платы
Классификацию печатных плат проводят по нескольким признакам (прил. 27). Наиболее часто печатные платы классифицируют по количеству диэлектрических и проводящих слоев.
По конструкции печатные платы с жестким и гибким основанием делятся на следующие типы: односторонние, двухсторонние и многослойные.
При выборе типа печатной платы для разрабатываемой конструкции печатного узла необходимо учитывать технико-экономические показатели. 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 платы).
При этом решение ряда топологических задач проводится введением навесных перемычек (объемных проводников). Например, 80–90 % бытовой аудио,- видеотехники 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 одно
стороннюю плату.
Согласно ГОСТ 23751-86 «Платы печатные. Основные параметры конструкции» различают пять классов точности печатныхплат. Из них наиболее распространены в электронной аппаратуре широкого применения при типе производства от мелкосерийного до крупносерийного печатные платы первого, второго, реже третьего класса точности. Класс точности определяет плотность печатного рисунка; первый и второй классы точности характеризуют печатные платы малой и средней насыщенности поверхности дискретнымиЭРЭ. Влияние класса точности на параметры печатного рисунка
представлено в таблице 3.1.
Таблица 3.1 Влияние класса точности на параметры ПП (для узкого места)
Для изготовления печатных плат применяется любое оборудование без каких-либо ограничений. Более подробно с выбором класса точности можно ознакомиться
в приложении 28.
Этап 2. Определение группы жесткости печатной платы
Группа жесткости определяется по ГОСТ 23752-79 «Платы печатные. Общие технические условия». Группу жесткости записывают в технических требованиях к чертежу печатной платы, она зависит от условий эксплуатации и определяет выбор материала печатной платы, марки припоя, вида защитного покрытия. Группу жесткости печатной платы можно выбрать из таблицы3.2.
Таблица 3.2 Группа жесткости по ГОСТ 23752-79
Выбор осуществляется на основании заданных условий эксплуатации устройства.
Этап 3. Выбор материала основания ПП
Материал основания ПП выбирается исходя из:
- электрических характеристик (частотный диапазон, пробивное напряжение 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 приложении 29 приведены данные, позволяющие определить необходимый материал основания, исходя из требований, предъявленных к ПП.
Для оснований обычно используют изоляционные материалы типа фольгированных пластмасс. Наибольшее распространение в производстве ПП получили фольгированный гетинакс марок ГФ-1 (фольгированный с одной стороны), ГФ-2 (фольгированный с двух сторон) и фольгированный стеклотекстолит марок СФ-1 (фольгированный с одной стороны), СФ-2 (фольгированный с двух сторон).
Для печатных плат, предназначенных для эксплуатации в условиях первой и второй групп жесткости (ГОСТ 23752-79), рекомендуется применять материалы на основе бумаги (например, гетинакс), если не предъявляются повышенные требования к диэлектрическим потерям, для третьей и четвертой групп жесткости – на основе стеклоткани (например, стеклотекстолит). В таблице 3.3 приведены наиболее часто применяемые материалы для печатного монтажа.
Таблица 6.3 материалы печатных плат по ГОСТ 10316-78
Обозначение материала ПП в конструкторской документации состоит из марки и толщины.
Например, СФ-1-35-2означает, что выбран стеклотекстолит фольгированный (СФ) односторонний (1) с толщиной фольги 35 мкм (35), толщина ПП 2 мм (2).
Кроме материала основания, на такие свойства ПП, как жесткость и теплопроводность, оказывает влияние и его толщина. Установлен следующий размерный ряд значений толщины оснований ПП (в мм) – как гибких, так и жестких:
Рисунок 3.1 – Ряд значений.
Для обоснования толщины (Н) ПП можно воспользоваться данными табл. 3.1.
Предположим, что минимальный диаметр монтажного отверстия на ПП имеет величину 0,5 мм. Тогда, имея значение отношения минимального значения диаметра наименьшего отверстия к толщине печатной платы J для первого класса точности равным
0,40 мм, толщина платы должна быть не менее 0,5/0,4 = 1,2 мм, т. е. по ГОСТ не менее 1,5 мм.
Этап 4. Расчет и размещение отверстий
В односторонних и двухсторонних печатных платах используется несколько видов отверстий:
- монтажные – для соединения выводов навесных элементов с печатной схемой;
- крепежные – для механического крепления печатной платы на шасси или для крепления элементов на печатной плате;
- фиксирующие – для точного расположения печатной платы в процессе ее обработки;
- переходные – для электрического перехода с одного слоя печатной платы на другой (для ОПП такие отверстия отсутствуют, для ДПП эти отверстия можно отнести к монтажным).
Центры отверстий на печатной плате планируют в узлах координатной сетки. Центры монтажных отверстий под неформуемые выводы многовыводных навесных элементов, межцентровые расстояния которых не кратны шагу координатной сетки, проектируют таким об разом, чтобы в узле координатной сетки находился центр, по крайнеймере, одного из монтажных отверстий, в центры отверстий под остальные выводы располагают в соответствии с требованиями конструкции устанавливаемого навесного элемента с указанием всех необходимых размеров. При выборе элементной базы следует учитывать, что использование таких элементов в значительной степени усложняет процессы изготовления и контроля печатных плат, сборки печатных узлов.
Взаимное расположение монтажных отверстий под выводы навесных элементов должно соответствовать ОСТ 4.010.030-86.
Диаметры монтажных и переходных отверстий; металлизированных и неметаллизированныхвыбирают согласно ГОСТ 10317-79 «Платы печатные. Основные размеры» из ряда: 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,4; 2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3,0 мм (табл. 3.4).
В ОСТ 4.010.019-81 даны ограничения на этот ряд, т.е. из него выбирают значения 0,7; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5.
Таблица 3.4
При расчете минимального диаметра монтажного и переходного отверстия dминследует учитывать класс точности. В простейшем случае dминможно определить из следующего соотношения:
dмин = J×H,
где J – относительная толщина ПП (выбирается по табл. 3.1);
Н – толщина платы с учетом фольги.
Особенностью отверстий, изготавливаемых в материалах, которые применяются для оснований ПП, является то, что в соответствии с ГОСТ 23751–86 допуск на номинальный размер диаметра может быть как положительным, так и отрицательным. Это связано с тем, что в отверстиях возможно выступание неполимеризовавшейся смолы
(отрицательное поле допуска), а также усадки диэлектрической под
ложки. Поэтому, минимально применимый диаметр отверстия необходимо вычислять по формуле:
dмин = J×H + çDd ê,
где Dd – максимальное предельное отклонение диаметра рассчитываемого отверстия.
Более детально расчет монтажных и переходных отверстий изложен в приложении 30.
Количество типоразмеров любых отверстий на печатной плате следует ограничивать. Рекомендуется применять не более трех типоразмеров монтажных и переходных отверстий. Отверстия на печатной плате выполняют чаще всего без зенковки, в некоторых случаях допускается зенковка у металлизированных отверстий. На печатных
платах толщиной 0,8 мм вместо зенковки притупляют острые кромки. Если толщина печатной платы составляет от 0,8 до 1,2 мм, то зенковку выполняют под углом в пределах 100°–125°, при толщине свыше 1,2 мм – под углом в пределах 70°– 90°.
Этап 5. Выбор формы и размеров контактных площадок
Для припайки к печатному проводнику объемного проводника или вывода навесного ЭРЭ на проводнике делают контактную площадку (КП) в виде участка с увеличенной шириной. Металлизированные отверстия должны иметь контактные площадки с двух сторон печатной платы. Контактные площадки выполняют круглой, прямоугольной или близкой к ним формы. Допустима произвольная форма
контактных площадок.
Расчет минимального диаметра контактной площадки приведен в ОСТ 4.010.022-85 или в приложении П31.
Диаметры контактных площадок рекомендуется выполнять, возможно, большего размера. У металлизированных отверстий площадь контактной площадки без учета площади отверстия должна быть не менее 2,5 мм2 для печатных плат первого и второго классов точности и не менее 1,6 мм2 для третьего класса.
Этап 6. Расчет и размещение элементовпроводящего рисунка
Расчет минимальной ширины проводника tminдолжен производиться так же, как и для диаметра КП, с учетом подтравливания про водящего слоя Нпр.
Для субтрактивных технологий:
tmin = timin + 1,5Нпр,
где tminгде tmin– минимальная ширина проводника, определяемая классом точности (табл. 3.1) или полученная при проведении энергетических расчетов.
Для комбинированного позитивного метода и полуаддитивнойтехнологии при фотохимическом способе нанесения защитной маски
tmin = timin + 1,5Нпр + 0,03.
Для сеткографического способа нанесения защитной маски
tmin = timin + 1,5Нпр + 0,08.
Плотность тока и потери, кроме ширины проводника t, зависят и от толщины проводящего слоя Нпр, которая определяется толщиной фольги и при использовании полуаддитивных технологий толщиной гальванически наращенной меди. Толщина фольги, в зависимости от марки применяемого материала, регламентирована для отечественныхфольгированных диэлектриков значениями 5, 20, 35 и 50 мкм, для
импортных – 12, 18 и 35 мкм.
Если потери несущественны для работы электрической схемы, то предпочтение отдается минимальной толщине. Проводники толщиной более 50 мкм изготовлять не рекомендуется, так как с увеличением толщины происходит ухудшение сцепления проводника с материалом основания ПП. Для свободного места указанные значения допускается устанавливать по любому более низкому классу, а для первого класса – увеличивать в два раза.
Элементы проводящего рисунка, кроме экранов, шин заземления располагают:
– от края печатной платынеметаллизированного отверстия (диаметром более 1,5 мм), паза, выреза и т. д. на расстоянии не менее толщины платы с учетом допуска на линейные размеры;
– от края неметаллизированного отверстия диаметром 1,5 м и менее – на расстоянии не менее 0,8 мм.
В печатных платах толщиной менее 1 мм элементы проводящего рисунка располагают на расстоянии не менее 1 мм с учетом, допусков. Предельные отклонения ширины печатного проводника, контактной площадки для узкого места должны соответствовать значениям, указанным в табл. 3.1.
Для печатных плат всех размеров аппаратуры широкого пользования предпочтительным является первый класс точности. Печатные проводники рекомендуется выполнять постоянной, возможно большей ширины на всей протяженности при любом методе проектирования. В узком месте проводники наименьшей номинальной ширины проектируют, возможно, меньшей длины.
Печатные проводники располагают равномерно на возможно большем расстоянии от соседних элементов проводящего рисунка параллельно линиям координатной сетки или под углом к ним, кратным 15°.
Печатные проводники шириной более 3 мм, расположенные на печатной плате со стороны пайки, делают с вырезами по правилам выполнения экранов.
При невозможности реализации трассировки печатными проводниками и с целью уменьшения сложности проводящего рисунка допускается применять объемные перемычки в количестве не более 3–5.
Наименьшее номинальное расстояние между соседними элементами проводящего рисунка рассчитывают по формулам ОСТ 4.010.022-85 или приложения 32.
Минимально допустимое расстояние Smin между соседними элементами проводящего рисунка выбирают исходя из класса точности (табл. 3.1).
Печатные проводники не должны иметь резких перегибов иострых углов. Переходы при разветвленном проводнике или переходы проводника к контактной площадке выполняют плавными линиями с радиусом закругления не менее 2 мм.
Печатные проводники по возможности делают минимально короткими. При изготовлении особо длинных печатных проводников (l > 200 мм) целесообразно предусматривать дополнительные контактные площадки и отверстия.
Прокладка рядом входных и выходных печатных проводников схемы, одного печатного проводника параллельно другому, аналогичному, на той или иной стороне платы не рекомендуется во избежание возникновения паразитных наводок.
Проводники входных высокочастотных цепей прокладывают в первую очередь и выполняют максимально короткими.
Печатный проводник, проходящий между двумя близлежащими контактными площадками или любыми отверстиями, располагают так, чтобы его ось была перпендикулярна длине, соединения в центре отверстий.
Заземляющие проводники, по которым протекают суммарные токи всех цепей, проектируют максимально широкими.
При трассировке проводников не следует допускать больших площадей, покрытых медью.
Этап 7. Выбор конструктивного покрытия ПП
Конструктивные металлические и неметаллические покрытия применяются для обеспечения стабильности электрических, механических и других параметров печатных плат.
Конструктивные металлические покрытия выбирают по ОСТ 4.ГО.014.000. Чаще других используют сплав Розе толщиной 1,5–3 мкм, сплав олово-свинец толщиной 9–15 мкм.
Неметаллические конструктивные покрытия защищают проводники и поверхности основания печатных плат от воздействия припоя, а элементы проводящего рисунка – от замыкания навесных элементов. Для этого выполняют резистивные маски на основе
эпоксидных смол, сухого пленочного резиста, холодных эмалей, оксидных пленок.
Влагозащита печатного узла производится после установки ЭРЭ способом заливки, которая улучшает теплоотвод, скрепляет механически отдельные элементы на печатной плате. Однако способ заливки имеет существенные недостатки: возникают большие внутренние напряжения в массе заливочного материала. Для заливки используют
компаунды марки ЭЗК-1-ЭЗК 16, ЭК-20, Э 4100, вспенивающийсяпенополиуретан SK-2.
Нанесение на ПП диэлектрических покрытий (табл. П32.3прил. П32) позволяет повысить устойчивость ПП к климатическим воздействиям, а также уменьшить расстояние между проводниками (в 1,5–2 раза) вследствие увеличения пробивного напряжения. При этом пробивное напряжение между проводниками не будет зависеть
от влажности и атмосферного давления.
Этап 8. Маркировка при конструированиипечатных модулей
Все необходимые надписи на печатных платах (маркировку) выполняют краской, устойчивой к воздействию спирто-бензиновой смеси или других растворителей (например, краской МКЭ чёрной или МКЭ белой по ОСТ 4.ГО.028.001). Маркировку, выполненную краской, можно располагать на печатных проводниках.
При маркировке способом, которым выполняется проводящий рисунок, допускается применять упрощённый шрифт, при этом в технических требованиях чертежа способ маркировки не указывают.
Этап 9. Расчет массы ПП и сборочного узла
Масса печатной платы с элементами определяется по формуле:
гдеА– длина печатной платы (большая сторона);
В – ширина печатной платы (меньшая сторона);
Mi– масса i-гo элемента; n – количество элементов, устанавливаемых на печатной плате;
р – объемная плотность материала основания печатной платы:
– для стеклотекстолита р=2.05 г/см3;
– для гетинакса р=1.8 г/см3; H – толщина основания печатнойплаты.
4 Порядок выполнения работы
4.1 Определить тип и класс точности печатной платы (ПП).
4.2 Определить группу жесткости ПП.
4.3 Выбрать материал основания ПП.
4.4 Выбрать и обосновать типоразмеры монтажных отверстий.
4.5 Выбрать форму и рассчитать диаметр контактных площадок.
4.6 Рассчитать элементы печатного рисунка.
4.7 Выбрать конструктивное покрытие для ПП.
4.8 Решить вопрос о способе маркирования.
4.9 Рассчитать массу ПП и сборочного узла.
5 Содержание отчета
5.1Оформить отчет в виде пояснительной записки по пп. 1-9 порядка выполнения работы.
6 Контрольные вопросы
6.1 Чем печатный узел отличается от печатной платы?
6.2 Дайте определение односторонней и двухсторонней печатной плате.
6.3 Какое количество перемычек допускается использовать при печатном монтаже?
6.4 Что характеризует класс точности печатной платы?
6.5 На что влияет группа жесткости печатной платы при ее проектировании?
6.6 Расшифруйте марки материала печатных плат: СФ-1-35-1,5: ГФ-2-50-1,0.
6.7 В каких случаях используют материал печатной платы, разработанный на основе стеклотекстолита?
6.8 Каким образом размещают на чертеже печатной платы все известные Вам виды отверстий?
6.9 Какое количество типоразмеров отверстий используют при проектировании печатной платы?
6.10 Каким образом по отношению к линиям координатной сетки располагают линии проводников на чертеже печатной платы?
6.11 Назовите значения толщины фольги, наиболее часто используемые в отечественных и импортных материалах для производствапечатных плат с жестким основанием.
Лабораторная работа 11