Разработка и оформление чертежей на печатные платы.

Сущность печатного монтажа за­ключается в нанесении на изоляцион­ное основание тонких электропрово­дящих покрытий, выполняющих фун­кции монтажных проводов и элемен­тов схемы - резисторов, конденсато­ров, катушек индуктивности, кон­тактных деталей и др. Ниже приве­дены основные термины, которые бу­дут использованы при изложении материала.

Печатный проводник – участок токопроводящего покрытия, нанесен­ного на изоляционное основание, выполняющий функции обычного монтажного провода.

Печатный, монтаж – система пе­чатных проводников, обеспечиваю­щих электрическое соединение эле­ментов схемы.

Печатная плата – изоляционное основание с нанесенным на нем пе­чатным монтажом.

Навесные элементы – объемные электро- и радио элементы, установ­ленные и закрепленные на печатной плате способом пайки и имеющие электрический контакт с печатными проводниками.

Контактная площадка – метал­лизированный участок вокруг мон­тажного отверстия, имеющий элек­трический контакт с печатным про­водником и обеспечивающий элек­трическое соединение навесных эле­ментов схемы с печатным монтажом.

Монтажное отверстие – отвер­стие в печатной плате, предназна­ченное для закрепления выводов на­весных элементов и электрического соединения их с печатными проводни­ками.

Координатная сетка – сетка, на­носимая на изображение платы и служащая для определения положе­ния монтажных отверстий, печатных проводников и других элементов платы.

Шаг координатной сетки – расстояние между соседними линиями координатной сетки. Шаг координатной сетки должен быть кратным 0,625 мм (0,625; 1,25; 1,875; 2,5 и т. д.)

Узел координатной сетки – точка пересечения линий координатной сетки.

Свободные места – участки пе­чатной платы, где при размещении проводников могут быть выдержаны рекомендуемые значения ширины проводников и расстояния между проводниками и контактными пло­щадками.

Узкие места – участки печатной платы, где при размещении провод­ников, ширина проводников, расстоя­ния между ними и контактными пло­щадками выполняются меньше реко­мендуемых (вплоть до минимально допустимых).

Печатный блок – печатная плата с печатной схемой, навесными эле­ментами и другими деталями, прошедшая все стадии изготовления.

Процесс разработки чертежа печатной платы складывается из следующих операций:

– компоновка печатной платы, в процессе которой находят оптимальное размещение навесных элементов на печатной плате. Компоновку обычно выполняют с помощью шаблонов элементов, устанавливаемых на плате, изготовленных из бумаги или другого материала. Шаблоны выполняют в том же масштабе, в котором оформляется чертеж печатной платы. Эти шаблоны размещают на листе бумаги или другого материала с нанесенной координатной сеткой и ищут такое расположение деталей, при котором длина соединяющих их проводников минимальна.
В результате компоновки находят положения контактных площадок для подключения всех элементов;

– разводка печатных проводников («трассировка»). Цель этой операции – провести проводники, соединяющие контактные площадки, так, чтобы они имели минимальную длину и минимальное число переходов на другие слои с целью устранения пересечений;

– оформление чертежа с соблюдением требований стандартов.

Первые два процесса – компоновка и разводка – неразрывно свя­заны между собой, так как иногда в процессе разводки конструктор об­наруживает, что компоновку нужно изменить. На выполнение этих двух процессов при разработке сложных плат затрачивается много времени. Поэтому при разработке плат применяют машинное проектирование с использованием ЭВМ. При этом методе в машину вводят закодирован­ную специальным образом схему соединений между элементами, и ма­шина, снабженная специальной математической программой, находит необходимое число слоев и места прокладки проводников, соединяющих контактные площадки. При этом специальные программные графопо­строители, снабженные оптическими устройствами, выполняют на фо­топленке негатив, необходимый для изготовления каждого слоя печат­ной платы. Следует отметить, что машинные методы трассировки, обес­печивая высокую производительность труда, не могут обеспечить та­кую же экономичную компоновку, какую мог бы сделать человек. Если число слоев в плате ограничено, а схема сложная, то иногда машина останавливается, не находя пути для прокладки какого-либо проводника. Тогда в процесс трассировки приходится вмешиваться человеку. Такие ситуации – результат несовершенства используемых алгоритмов. По ме­ре совершенствования алгоритмов эффективность машиных методов проектирования будет повышаться.

Чертеж печатной платы должен содержать основные проекции платы с печатными проводниками и отверстиями. Его выполняют в масштабе 2:1 или 4:1. На чертеже платы тонкими линиями наносят коорди­натную сетку в соответствии с выбранным масштабом.

Размеры на чертеже печатной платы указывают одним из следующих способов:

– с помощью размерных и выносливых линий;

– нанесением ко­ординатной сетки в прямоугольной или в полярной системе координат;

– комбинированным способом с помощью размерных и выносных линий и координатной сетки.

При задании размеров координатной сетки ее линии нумеруют.

Проводники на чертеже печатной платы изображают одной ли­нией, являющейся осью симметрии проводника. При этом в техничес­ких требованиях чертежа должна быть указана ширина проводника.

Во многих случаях для плат ограничивается только минимальная ши­рина проводника. Ее указывают отдельно для свободных и узких мест, как, например, показано в табл.5.7.

Таблицу помещают в «Технические требования», которые размеща­ют на поле чертежа.

Таблица 5.7. Оформления на чертеже таблицы параметров элементов платы

Параметр элементов платы	Размеры, мм, не менее
в свободных местах	в узких местах
Ширина проводников	0,8	0,3
Расстояние между двумя проводниками	0,8	0,4
Расстояние между двумя контактными площадками или проводником и контактной площадкой	0,8	0,3

Проводники шириной более 2,5 мм можно изображать двумя ли­ниями, при этом, если они совпадают с линиями координатной сетки, числовое значение ширины на чертеже не указывают.

Отдельные элементы рисунка печатной платы (широкие проводники, контактные площадки, экраны, изоляционные участки и т. п.) можно выделять штриховкой, чернением.

Круглые отверстия, имеющие зенковку, и круглые контактные пло­щадки с круглыми отверстиями изображают одной окружностью. Размер диаметров круглых контактных площадок указывают в тех­нических требованиях.

Если у контактной площадки регламентируется только минимальная радиальная ширина b_min , то такую площадку показывают окружностью, диаметр которой равен диаметру отверстий, а в технических требова­ниях указывают: «Форма контактных площадок произвольная, b_min ...». Контактные площадки для припайки выводов планарных корпу­сов микросхем выполняют, как показано на рис.5.1, в.

Диаметры монтажных и переход­ных металлизированных и не метал­лизированных отверстий выбирают из ряда (0,2); 0,4; (0,5); 0,6; (0,7); 0,8; (0,9); 1,0; (1,2); 1,3; 1,5; 1,8; 2,0; 2,2; (2,4); (2,6); (2,8); (3,0). Диа­метры, не взятые в скобки, являются предпочтительными. Не рекоменду­ется на одной печатной плате иметь более трех различных диаметров отверстий.

Таблица 5.4. Диаметры отверстий в зависимости от диаметра вывода элемента.

Диаметр выводов элементов, мм	Диаметр отверстия в плате, мм	Диаметр зенковки с двух сторон, мм	Диаметр контактной площадки, мм	Диаметр выводов элементов, мм	Диаметр отверстия в плате, мм	Диаметр зенковки с двух сторон, мм	Диаметр контактной площадки, мм
0,5 – 0,6 0,7 – 0,8 0,9 – 1,0 1,2 – 1.3	0,8 1,0 1,3 1,5	1,1 × 70º 1,5× 70º 1.8× 70º 2,0× 70º	2,2 2,5 3,0 3,5	1,3 –1,5 1,8 – 2,0 2,0 – 2,2 2,4 – 2,6	1,8 2,2 2,5 2,8	2,2 × 70º 2,8 × 70º 3,0 × 70º 3,2 × 70º	4,0 5,0 5,5 6,0

Диаметры металлизиро­ванных отверстий выбирают в зави­симости от диаметров выводов навесных элементов и толщины платы, а диаметры не металлизированных отверстий – в зависимости от диа­метров выводов навесных элементов, устанавливаемых в эти отверстия (табл. 5.4).

Параметры отверстий (диаметр, допуск на диаметр, зенковку и до­пуск на нее, наличие и отсутствие металлизации) непосредственно около каждого отверстия не проставляют. Отверстия, имеющие одинаковые параметры, обозначают одним и тем же условным значком, (табл.5.5).

Таблица 5.5. Условное обозначение диаметров отверстий.

Диаметр отверстия, мм	0,6	0,8	1,0	1,3	1,5	1,8	2,0	5,0
Условное обозначение

Парамет­ры, характеризующие этот значок, объединяют в таблицу, которую включают в технические требования чертежа (табл. 5.6)

Таблица 5.6. Пример оформления таблицы отверстий на чертеже

Обозначение	Диаметр, мм	Диаметр зенковки, мм	Наличие металлизации	Количество
	0,6+0,1	0,9+0.2 с двух сторон	Есть
	0,8+0,1	1,1+0,2	Есть
	1,0+0,12	1,5+0,2	Нет

Участки платы, по которым не должны проходить печатные провод­ники, обводят штрихпунктирной линией и соответствующее указание делают в технических требованиях. Зенковку на отверстиях графически не показывают.

Кроме перечисленных данных в технических требованиях чертежа должно быть указано:

– номер технических условий, которым должна соответствовать плата;

– шаг координатной сетки;

– точность, с которой должна выдерживаться конфигурация про­водников по отношению к сетке (1,5; 1,0 или 0,5 мм);

– указание о том, что допускается скругление углов контактных пло­щадок и проводников;

– минимальная радиальная толщина контактных площадок;

– предельные отклонения расстояний между центрами отверстий
(кроме оговоренных особо на чертеже) в широких и узких местах;

– суммарная площадь металлизации платы;

– указания о гальваническом покрытии проводников печатной платы, например: «Печатный монтаж серебрить Ср9».

При необходимости в технических требованиях указывают способ изготовления печатной платы.

Для поверхностей печатной платы, которые в процессе изготовления подвергаются механической обработке (контур платы, отверстия, пазы и т. п.), устанавливают норму на шероховатость.

Шероховатость ограничивают, нормируя максимально допустимое значение параметра шероховатости R_z ; обычно R_z не должна превышать 40 мкм.

В соответствующей графе основной надписи чертежа должна быть указана марка материала, из которого сделана печатная плата или изоб­раженная на чертеже деталь МПП, а также номер ГОСТ или ТУ на этот материал.

Печатные узлы.

Печатную плату с установленными на ней электрорадиоэлементами (ЭРЭ) называют печатный узлом.

Если электрорадиоэлементы имеют штыревые выводы, то их уста­навливают в отверстия печатной платы и запаивают. Если корпус ЭРЭ имеет планарные выводы, то их припаивают к соответствующим кон­тактным площадкам внахлест.

ЭРЭ со штыревыми выводами нужно устанавливать на плату с од­ной стороны (для плат с односторонней фольгой – на стороне, где нет фольги). Это обеспечивает возможность использования высокопроиз­водительных процессов пайки, например пайку «волной». Для ЭРЭ с планарными выводами пайку «волной» применять нельзя. Поэтому их мож­но располагать с двух сторон печатной платы. При этом обеспечивается большая плотность монтажа, так как на одной и той же плате можно расположить большее количество элементов.

При размещении ЭРЭ на печатной плате необходимо учитывать следующее:

– полупроводниковые приборы и микроэлементы не следует располагать близко к элементам, выделяющим большое количество теплоты, а также к источникам сильных магнитных полей (постоянным магнитам, трансформаторам и др.);

– должна быть предусмотрена возможность конвекции воздуха в зоне расположения элементов, выделяющих большое количество теплоты;

– должна быть предусмотрена возможность легкого доступа к элементам, которые подстраивают при регулировании схемы.

На рис. 5.17 показаны часто применяемые способы установки элементов, имеющих два вывода, расположенных аксиально (сопротивления, конденсаторы, диоды и др ).

б) в) г)

Рис.5.17. Установка элементов с аксиальными выводами.

При выборе межцентрового расстояния L, высоты Н и других размеров следует учитывать, что для всех типов ЭРЭ ограничено минимальное расстояние от корпуса элемента, на котором можно производить гибку вывода, и минимальное расстояние от корпуса до места приложения паяльника при пайке. Эти ограничения существует не только для ЭРЭ с аксиальными выводами, но и для всех типов ЭРЭ, подключаемых пайкой.

Соответствующие данные приводятся в ГОСТах и ТУ на ЭРЭ и в справочниках.

Если элемент имеет электропроводный корпус, установленный, как показано на рис. 5.17, а, и под корпусом проходит проводник, то необходимо предусмотреть изоляцию корпуса или проводника. Изоляцию можно осуществлять надеванием на корпус элемента трубок из изоляционного материала, нанесением тонкого слоя эпоксидной смолы на плату в зоне расположения корпуса (эпоксидная маска), наклеиванием на плату тонких изоляционных прокладок.

Элементы, установленные, как показано на рис 5.17, а, могут работать при более жестких механических воздействиях, чем установленные так, как показано на рис. 5.17, б, в.

В зависимости от конструкции конкретного типа элемента и характера механических воздействий, действующих при эксплуатации (частота и амплитуда вибрации, значение и длительность ударных перегрузок и др.), ряд элементов нельзя закреплять только пайкой за выводы – их нужно крепить дополнительно за корпус.

Крепление за корпус в зависимости от конструкции и массы элементов можно производить приклейкой к плате специальными мастиками или клеями, прилакировкой в процессе влагозащиты печатного узла, заливкой компаундом, привязкой нитками или проволокой, с помощью скоб, держателей и другими методами.

Чтобы обеспечить возможность применения групповой пайки (например, пайки «волной») элементов, устанавливаемых с зазором между платой и корпусом, необходимо предусматривать специальный изгиб выводов, как показано на рис. 5.17, б. Этот изгиб удерживает элемент и не дает ему опуститься на плату в процессе установки других элементов до операции пайки. На рис. 5.17, г показана установка элементов с аксиальными выводами в двухплатной конструкции.

На рис. 5.18 показаны возможные варианты установки транзисторов.

а) б) в)

Рис.5.18 Установка транзисторов.

1- подставка; 2-крепежная скоба.

При установке транзисторов, как показано на рис. 5.18, а, б ваппаратуре, работающей в условиях вибрации и ударов, корпус должен быть приклеен к плате или к переходной втулке.

На рис. 5.19 показаны варианты установки микросхем в корпусах с планарными выводами, в круглых корпусах и в плоских прямоугольных корпусах со штырьковыми выводами. Все указанные способы крепления микросхем обеспечивают их надежное крепление в условиях вибрации и ударов, действующих на аппаратуру, которая устанавливается на подвижных объектах (автомашинах, самолетах, судах и т. п.). При этом обязательно покрытие узлов влагозащитными лаками, которое обеспе­чивает дополнительное крепление выводов микросхемы к плате.

Рис.5.19. Установка микросхем

1-теплопроводящая шина; 2-изоляционная 3-печатная плата изготовленная

методом выступающих выводов; 4-подставка; 5-прокладка.

Если микросхема выделяет большое количество теплоты и находится при повышенной температуре, то существует опасность нагрева корпуса микросхемы выше допустимой температуры. В этом случае под корпусами микросхем устанавливают теплоотводящую медную шину 1 (рис.5.19, в), концы которой должны плотно прилегать к корпусу изделия или другому элементу конструкции, способному" отводить выделяемую микросхемой теплоту в окружающее пространство. Медная шина должна быть изолирована изоляционной прокладкой от печатных проводников, проходящих под микросхемой. По тем же причинам изоляционные прокладки нужно применять при установке, изображенной на рис. 5.19, а. Вместо прокладок можно покрывать нижнюю поверхность корпуса микросхемы эпоксидной смолой.

ЭРЭ должны располагаться на печатной плате так, чтобы осевые линии их корпусов были параллельны или перпендикулярны друг другу. Это обеспечит при необходимости возможность применения специальных машин для автоматической установки и пайки ЭРЭ на печатной плате. На платах с большим количеством микросхем в однотипных корпусах их следует располагать правильными рядами.

Зазор между корпусами должен быть не менее 1,5 мм (в одном из направлений). Указанный зазор необходим для возможности захвата микросхемы специальными устройствами при автоматической установке. Планарные корпуса нужно располагать длинной стороной вдоль направления конвекционного потока воздуха. При этом улучшается охлаждение микросхемы.

Элементы, имеющие большую массу, следует размещать вблизи мест крепления платы или выносить их за пределы платы и закреплять на шасси аппарата.

Так как печатные платы имеют малые расстояния между проводниками, то воздействие влаги может привести к таким ухудшениям сопротивления изоляции, при которых будет нарушаться нормальная работа схемы. Поэтому печатные узлы, которые будут работать в сложных климатических условиях, необходимо покрывать слоем лака.

Используемые для этого лаки должны иметь следующие свойства:

– хорошую адгезию к материалу платы и печатным проводникам;

– малую влагопоглощаемость;

– большое сопротивление изоляции;

– способность быстро высыхать при невысокой плюсовой температуре;

– отсутствие растрескивания в диапазоне рабочих температур.

Наиболее часто для покрытия печатных плат используют лак УР-231.

Однако следует отметить, что тонкая пленка лака не способна надеж­но защитить плату от влаги при длительном воздействии, так как абсо­лютно влагонепоглощающих лаков не существует. Кроме того, на по­верхности платы, покрытой лаком, могут быть отдельные участки с де­фектами (пузырьками, царапинами и т. д.), через которые интенсивно проникает влага.

6. МЕТОДЫ И СПОСОБЫ КОМПОНОВКИ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ.