Тема:Компоновка ИМС на плате. Методика расчета габаритных размеров платы

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

Ход урока:

1. Компоновка печатной платы - это процесс, при котором находят оптимальное размещение навесных элементов и ИМС на печатной плате. Требования компоновки: обеспечить оптимальную плотность расположения компонентов; -исключить заметные паразитные электрические взаимосвязи, влияющие на технические характеристики изделия. Компоновку можно выполнять вручную или с использованием САПР. Ручную компоновку обычно выполняют с помощью шаблонов элементов, устанавливаемых на плате, изготовленных из бумаги или из другого материала. Шаблоны выполняют в том же масштабе, в котором оформлялся чертёж печатной платы. Эти шаблоны размещают на листе бумаги или другого материала с нанесённой координатной сеткой и ищут такое расположение элементов, при котором длина соединяющих их проводников минимальна. В результате компоновки находят положение контактных площадок для подключения всех элементов. Автоматическая компоновка выполняется с помощью программы Р-САD и графического редактора. Требования к габаритным размерам плат определяются технологией их изготовления. Размеры ПП должны быть экономически целесообразны (существенно ограничение на типоразмеры с целью стандартизации инструментов и приспособлений). Отклонение от прямоугольной формы и создание пазов во внешнем контуре приводит к повышенным производственным расходам и неполному использованию исходных материалов. Размеры ПП должны соответствовать ГОСТ 10317-72, в котором рекомендовано 74 типа плат с соотношением сторон от 1 к 1 до 2 к 1. Максимальная ширина не должна превышать 500 мм. Рекомендуемая толщина в мм: 0,8;1;1,5;2;2,5;3.

Печатную плату с установленными на ней электрорадиоэлементами называют печатным узлом.

Если ЭРЭ 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 микросхемы 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 лёгкого доступа к элементам, которые подбирают при регулировании схемы.

Если элемент имеет электропроводной корпус 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. От правильного расположения корпусов микросхем на печатной плате зависят такие параметры ЭВМ как габариты, масса, надежность, помехоустойчивость.

2. Шаг установки интегральных микросхем определяется требуемой плотностью компоновки, температурными режимами работы компонентов на плате, методом разработки топологии ПП (ручная, машинная), типом корпуса и сложностью электрической схемы. Рекомендуемый шаг установки ИМС -2,5мм. Зазоры между корпусами должны быть не менее 1,5 мм. ИМС со штырьковыми выводами располагаются с одной стороны печатной платы, так как монтаж штырьковых выводов производится в сквозные отверстия, причем концы выводов выступают на обратную сторону платы. Корпуса ИМС прочно удерживаются на плате запаянными выводами и выдерживают практически любые механические воздействия.

3. Разработка и расчёт варианта компоновки печатной платы, заданной эл. схемой

От правильного размещения корпусов ИС на печатной плате конструктивной иерархии первого уровня зависят их габаритные размеры, масса, помехоустойчивость и т.д. Естественно, чем плотнее будут расположены корпуса ИС на печатной плате, тем жестче будет тепловой режим, помехи при работе, и наоборот, чем больше расстояние между корпусами ИС, тем не эффективней используется объем и длина электрических связей, следовательно, возникают помехи. Поэтому на установку ИС необходимо обращать серьезное внимание с учётом назначения электрического средства и режимов его работы.

Печатная плата (ПП) является конструктивно законченным элементом и служит для электрического и механического соединения различных электрорадиоэлементов (ЭРЭ), интегральных микросхем (ИМС) и электрических соединений (разъемы, розетки и т. п.), расположенных на ней.

Размещение ИС проводят с определенными требованиями по помехоустойчивости и в соответствии с шагом установки. Выбор шага установки ИС определяется из условий: назначения и эксплуатации ЭС. Вне зависимости от типа ИС шаг установки применяется равным: 2,5мм, 1,25мм, 0,625мм.

Микросхемы на печатной плате располагаются линейно в ряды или в шахматном порядке. Такое расположение ИС и ЭРЭ позволяет автоматизировать процесс сборки и монтажа.

Установка ИС на печатные платы производится в соответствии с ОСТом 4ГО.010.030- 97 «Установка навесных элементов на печатные платы».

4. Печатная плата содержит две зоны (Рис 2.):

1) зону установки ИС и ЭРЭ;

2) технологическую зону, которая в свою очередь делится на две части:

а) технологическая зона для установки (например: соединительного разъема (Х1) и экстрактора (Х2))

б) технологическая зона для направляющих и маркировки (У1,У2)

Установка ИС и ЭРЭ на технологических зонах запрещена.

ИС располагаются по рядам (линейно) расстояние между ними по торцам должно быть не менее 1,5 мм и по бокам не менее 1,2 мм. ИС располагаемые в зоне установки должны маркироваться координатным способом, то есть зона установки делится по координатам на области, где устанавливают ЭРЭ и ИС и они обозначаются по Х и У, такое разбиение на зоны позволяет быстро находить нужный ЭРЭ и ИС расположенные на печатной плате. (Рис 3.)

	а	б	в	г	д	е	ж	з	и	к

Рис 3. - Определение геометрических параметров печатной платы.

Таблица 2

Наименование	Тип	Кол-во	Размеры	Установочная площадь, Si	S∑i
D	E	A
Микросхемы	К176ЛЕ5		20,3	6,3	4,55	154,28	308,56
К176ИЕ2		19,9	6,5	5,1	151,24	151,24
К176ЛП11		20,3	6,3	4,55	154,28	154,28
Конденсаторы	К50-35		6,3	6,3		54,75	54,75
КМ-6		6,5	4,5		42,35	84,7
Резисторы	МЛТ 0,125			2,2	2,2	35,84	250,88
Диоды	Д220				5,1	59,4	772,2

Итого S_схемы =1776,61

При конструировании ПП необходимо руководствоваться ГОСТ 10317-84, ГОСТ 23751-86. Наиболее предпочтительной конструкцией является прямоугольная форма ПП. Предварительно геометрические размеры ПП определяются исходя из количества ИС и ЭРЭ, размещаемых на плате, шага их установки и габаритных размеров разрабатываемого блока. Шаг установки ИС на плате определяется требуемой плотностью компоновки их, температурным режимом работы, сложностью электрической схемы и габаритными размерами корпусов ИС.

Согласно ГОСТ 10317-84 размеры каждой стороны ПП должны быть кратными:

2,5 мм — при длине до 100 мм;

5,0 мм — при длине до 350 мм;

10,0 мм — при длине более 350 мм.

Соотношение линейных размеров стороны ПП должно быть не более 4:1.

Поле ПП можно разделить на два участка: основной – для монтажа ИС и других ЭРЭ; вспомогательный – для монтажа электрических соединений, конструктивных элементов и маркировки платы.

Суммарную площадь S_∑ зоны установки ИС и ЭРЭ на печатную плату, можно определить по формуле:

S_∑=S_схемы*k_s,

где S_схемы– установочная площадь всех элементов,

k_s– коэффициент, учитывающий шаг установки ЭРЭ и ИС на печатную плату. В связи с тем, что ЭС будит работать в нормальных условиях, и при работе будет происходить нагрев ЭРЭ и ИС, то для расчета суммарной площади установки ЭРЭ и ИС примем коэффициент пропорциональности равный 2.

S_∑=1776,61* 2 =3553,22.

На плате должны быть предусмотрены вспомогательные участки x1,x2,y1,y2 технологической зоны для установки разъемов, маркировки, крепежных отверстий и направляющих (x1 =x2 =y1 =y2 = 10 мм). Исходя из ориентировочных размеров зоны установки ИС и ЭРЭ, шага установки элементов, вспомогательных участков, выбираем размеры сторон ПП:

l=100мм.

b=90мм.

Средний коэффициент k_Ззаполнения печатной платы можно определить по формуле:

k_З=S_схемы /S_∑=3553,22 / (80* 70) = 0,63.

Коэффициент заполнения считается удовлетворительным. Пример заполнения печатной платы приведён на приложении Б. (Шаг сетки 2,5мм.)

В ывод: были рассчитаны параметры печатной платы для изготовления формирователя частоты. Размеры печатной платы: 100×90. На данной плате будут размещены микросхемы и дискретные ЭРЭ с шагом сетки установки 2,5 мм. В результате расчета компоновки печатной платы был выбран оптимальный вариант компоновки, коэффициент заполнения 0.5 ≤k≤ 0.8.