Размеры коммутационных плат

Переход от традиционной техники монтажа к ТПМК дает много возможностей для уменьшения размеров используемых плат; часто ТПМК позволяет построить схемный модуль на плате исключительно малых размеров. Убедительным подтвержде-
нием этому служит переносная аппаратура, например радиопри-
емник поискового вызова. Вероятно, общее уменьшение габари-
тов данного устройства было бы невозможно без применения
ТПМК и, соответственно, было бы невозможно снижение его
стоимости. Другим хорошим примером являются японские сверх-
миниатюрные портативные стерео- и радиосистемы. Выигрыш здесь имеет место не только в снижении стоимости за счет умень-
шения размеров плат, включая, возможно, и базовую (с соеди-
нителями) плату, но и в значительном улучшении электрических
характеристик устройства благодаря меньшей длине коммутаци-
онных дорожек и расстоянию между компонентами, что очень
важно для повышения быстродействия схем и уменьшения пара-
зитных связей, особенно в СВЧ-диапазоне [14].

С повышением плотности монтажа, естественно, возникают
условия для улучшения функциональных возможностей изде-
лий. Несмотря на то что в настоящее время еще не сформули-
рованы критерии для выбора оптимальных размеров коммута-
ционных плат применительно к конкретным разработкам, поис-
ковые работы и этом направлении продолжаются. В частности,
в Европе разрабатываются стандарты с целью реализации в
ТПМК модульного принципа. В этом плане особенно заметны
достижения техники проектирования различных уровней межсо-
единений, которая предусматривает размещение на базовой пла-
те других смонтированных плат, представляющих собой конст
руктивные единицы более низкого иерархического уровня (под-
системы) аппаратуры, соединенные между собой.-
Следует также отметить, что размеры плат существенно ограничиваются характеристиками материалов, из которых они из
готавливаются (платы больших размеров подвержены коробле-
нию в результате термообработок и для избежания этого, их
толщина должна быть соответственно увеличена. Кроме того,
существуют ограничения размеров плат, связанные с технологи
ческой оснасткой оборудования, например, конструкция боль-
шинства монтажных и испытательных устройств разработана с
учетом каких-то предельных размеров платы. И наконец, платы
больших размеров затрудняют операции совмещения, сверления,
электролитического покрытия и пайки. Транспортная система т
акже должна быть рассчитана на такие размеры, поэтому целесообразно по крайней мере выдерживать ширину плат.

Таблица 2.16 - Факторы, связанные с особенностями ТПМК и относящиеся

к изготовлению коммутационных плат

Фактор

Комментарии

Размеры коммутационных плат     Эффективное использование площади коммутационных плат     Варианты поверх-ностного монтажа   Число коммутационных слоев плат   Ширина и шаг коммутационной дорожки (координатная сетка)   Применение меж-слойных переходов     Электрические характеристики     Отвод тепла

С увеличением габаритов коммутационных плат повышается их функциональная сложность и исключаются промежуточные соединители, посколь ку установка модулей осуществляется на одной плате. Однако монтаж сверхбольших плат весьма затруднителен и дорог, если еще учитывать групповую обработку плат разных размеров. Выход годных плат после их изготовления в ос- новном определяет практический предел разме рам коммутационных плат. - По соображениям эффективного нс пользования площади коммутационных плат оп- тимальным является равномерное размещение на плате компонентов после монтажа. Одни и те же компоненты существуют в разных вариантах корпусного исполнения, отличающихся стоимо- стью, рассеиваемой мощностью и т. д. Очень высокая плотность монтажа может затруднить получение надежных контактов компонента с платой.   Монтаж может быть чисто поверхно- стным, с одной или двух сторон платы, или сме- шанным, когда установка навесных компонентов осуществляется на поверхность платы и в сквозные отверстия. У двухсторонних плат пo- веpxнocть монтажа автоматически удваивается. Плотность монтажа может быть увеличена вертикальной установкой нескольких коммутацион- ных плат на общую несущую плату.   Многослойные платы автоматически уменьшают трудности разводки, правда, при этом усложня ется процесс иx изготовления из-за увеличения числа слоев коммутации и дополнительного сверления. Необходимы межслойные переходы для доступа к внутренним слоям коммутации. Во время термоциклирования может иметь место деформация платы по оси Z. При малом шаге координатной сетки возможна более плотная коммутация и, следовательно, более высокая плотность монтажа. Однако реализа ция коммутационных дорожек шириной 0,008 д- юйма (0,203 мм) и менее обходится дорого; пред- почтительна освоенная технология получения ш- ирины дорожек 0,010 дюйма (0,254 мм), позволяющая осуществлять смешанный монтаж компонентов на поверхность платы и в отверстия и обладающая запасом совершенствования. Большие значения шага координатной сетки для ТПМК неприемлемы.   Использование межслойных переходов позволяет уменьшить необходимое число слоев коммутации и осуществлять трассировку дорожек на поверхности платы, но за счет увеличения стоимости даже в cpaвнении с традиционной техни- кой монтажа в отверстия. Реализация межслойных переходов предъявляет повышенные требования к технологии изготовления коммутационных плат, особенно в части сверления переходов и их металлизации. Для межслойных переходов обыч- но требуются контактные площадки, и хотя ла- зерное сверление позволяет уменьшить иx размер, все же трассировка может быть затруднена ими. Использование корпусов для TПМК может быть особенно выгодным, когда требуются проводники малой длины; в других случаях следует учиты вать, что при малых расстояниях между провод- никами возможно проявление нежелательных эффектов вследствие взаимоиндукции. Высокая плотность поверхностного монтажа ком- понентов может вызвать необходимость принятия специальных мер, реализуемых в конструкции коммутационных плат для отвода тепловых по- токов (например, платы с термокомпенсацион- ным слоем или теплоотводом, формируемым между платой и компонентом. В наихудших случаях локальные перегревы могут вызвать усталостные напряжения внутри платы.

В 1990 г. размер плат, используемых для поверхностного монтажа компонентов, доведен до 36´48 дюймов (91,44´121,92 см). Ожидается, что выход годных в процессе изготовления коммутационных плат и монтажа на них компонентов станет основным критерием определения максимальных размеров плат. Кроме того, предлагается ограничить применение макси-плат областью супер-ЭВМ.

Число слоев, ширина и шаг коммутационных дорожек находятся в сильной взаимозависимости; для заданной степени сложности внутрисхемных соединений (общей трассировки) увеличение числа слоев означает разгрузку коммутации каждого слоя и позволяет увеличить шаг координатной
сетки, например, до 0,010 дюйма (0,254 мм). Большинство реа-
лизаций ТПМК все еще основано на применении координатной
сетки, которая в большей мере свойственна традиционной тех-
нике монтажа в отверстия. Это, безусловно, упрощает выполне
ние смешанного монтажа на платах, если конструкции постепе-
нно модернизируются, и облегчает проектирование плат. Исполь-
зование сеток с меньшим шагом требует больших затрат. Вместе
с тем плотность монтажа существенно увеличивается, если будет возможным прокладывать коммутационные дорожки
между контактными площадками. Перспективные разработки
коммутационных плат реализуют дорожки шириной
0,006 - 0,005 дюйма (0,152 - 0,127 мм) и с тем же расстоянием
между ними.

Число слоев коммутации плат оказывается связанным со
стоимостными показателями и надежностью изделия. Обычные
платы делаются из отдельных слоистых заготовок и, если в них
запроектированы сквозные отверстия или межслойные переходы,

может потребоваться выполнение операций сверления, электро
литического осаждения и совмещения рисунка коммутации от-
дельно на каждой стороне заготовки.

В многослойных конструк-
циях обычно имеются две внешние сигнальные шины и внутрен-
ние шины заземления и питания. Простейшим случаем является,
конечно, двухсторонний поверхностный монтаж, который прак
тически удваивает эффективность использования поверхности
платы. Данных о фактически возможном количестве слоев -
немного (в некоторых разработках указывается число 24). Однако
на практике оно будет скорее всего ограничиваться деформацией
платы по оси Z вследствие неравномерности ее расширения во
время термоциклирования, а также приемлемым выходом годн-
ых коммутационных платна стадии производства. Процесс изготовления межслойных переходов приведен на рисунке 2.43.