Практические рекомендации по разработке печатных плат (стр. 3 )

В современных САПР используются соответствующие средства для обес­печения автоматической установки элементов на плату. Так, в САПР Р-САD 2002 добавлены команды размещения точки приклеивания компо­нента (Р1асе | Glueе Рoint) и точки ориентации механизма автоматической установки компонентов на плате (Р1асе | Рick Роint). Данные команды пред­назначены для дальнейшего сопряжения с программами подготовки произ­водства и ориентированы на последующее использование современного ав­томатического оборудования монтажа плат. В предыдущих версиях САПР Р-САD подобных средств предусмотрено не было. Подобные команды су­ществуют и в других продуктах для проектирования плат.

Для обеспечения комплектации со стороны установки деталей на плату на­носят печатные обозначения в виде цифр, букв, обозначений элементов и т. д. Для этого используются слои шелкографии в различных САПР. Следу­ет помнить, что применение шелкографии очень выгодно при ручной и по­луавтоматической сборке относительно малых серий — позволяет повысить производительность в значительной мере.

После установки деталей выводы обрезаются и подгибаются чаще всего с использованием различных приспособлений.

Автоматизированная сборка ПП осуществляется на автоматизированных линиях. При этом комплектующие поступают на сборку упакованными в специальные кассеты-накопители или в виде перфолент.

Установка и использование автоматизированных линий оправданно лишь в условиях крупносерийного производства.

Пайка является старинным способом соединения металлических материа­лов. Для пайки наиболее широко используется припой, состоящий из 63% олова и 37% свинца. При таком соотношении компонентов сплав при плав­ке и охлаждении изменяет свое состояние, практически минуя фазу "тесто-образования".

Образующиеся на поверхностях спаиваемых материалов окисные пленки препятствуют образованию прочного спая. Под воздействием флюсов, кото­рые растворяют тонкие окисные пленки, поверхности спаиваемых материа­лов хорошо смачиваются припоем, и в результате образуется прочное со­единение.

Наиболее употребительным флюсом является спиртовой раствор канифоли с различными активирующими добавками. Содержащаяся в канифоли абиетиновая кислота только при температуре пайки (230 °С) становится ак­тивной и растворяет окисные пленки. Часто в базовый раствор добавляют различные активаторы (обычно органические кислоты), чтобы добиться эффекта усиления растворения окисных пленок. При нагреве до температу­ры пайки они распадаются и перестают быть вредными.

При пайке погружением ПП закрепляются в рамках и устанавливаются на цепном транспортере. Затем осуществляют флюсование — покрытие слоем флюса печатного монтажа распылением или продвижением над ванной с флюсом, "кипящем" за счет подачи воздуха через отверстия в дне ванны с флюсом. После флюсования производят обдувание с подогревом печатного монтажа и погружение нижней части ПП в расплавленный припой на время пайки, определяемое скоростью движения транспортера и габаритами ванны.

Проблемы подобного метода пайки: необходимость постоянного удаления с поверхности жидкого припоя окислов, поддержание постоянной температу­ры и уровня припоя в ванне, возможное коробления ПП при нагреве и как следствие - участки непропаивания, возможное отслоение широких сплош­ных участков печатных проводников при нагреве за счет выделения газов из основания платы.

Пайка волной припоя — отличный вариант пайки в условиях поточного производства. При этом ПП закрепляются в металлических рамках на цеп­ном транспортере аналогично предыдущему методу.

Резервуар с расплавленным припоем (при температуре 240 °С) изготавлива­ется из хромоникелевой стали и имеет две камеры. В нижней камере с по­мощью шнекового насоса создается избыточное давление, припой поднима­ется в волнообразующее устройство и изливается в виде волны в верхнюю камеру. Волну припоя создают определенной высоты (около 6 мм) и шири­ной несколько больше ширины ПП.

Проблемы подобного метода пайки: необходимость создания определенной формы волны припоя и взаимного наклона ПП для исключения "сосулек" и перемычек между выводами ЭРК, а также необходимость поддержания по­стоянной температуры в волне припоя.

При ручном способе пайки температура припоя колеблется очень сильно, так как зависит от длины, диаметра и материала жала паяльника, наличия автоматизации схемы включения, от квалификации монтажника и подго­товки ПП. Поэтому качество пайки может также сильно различаться.

Медное жало паяльника достаточно быстро обгорает и растворяется (поэто­му требует зачистки) и быстро укорачивается. Необходимо стремиться к то­му, чтобы оно всегда было обильно покрыто оловом. Хорошие результаты можно получить при использовании серебряного жала.

Наилучшее качество пайки удается получить при использовании паяльника с алмазным жалом. Такие паяльники, обладая высокой теплопроводностью, обеспечивают четкую регулировку температуры, имеют длительный срок службы, но дорогостоящи. Используются чаще для комплектации станков с групповой пайкой интегральных схем с планарными выводами. Для повышения качества паяных соединений, обеспечивающих на поря­док более низкую интенсивность отказов, в особых случаях используют вакуумную пайку, создавая незначительное разрежение давления паров до 10 -3 мм. рт. ст.

При разработке ПП проектировщику приходится решать следующие задачи:

o  топологические — размещение элементов нулевого уровня на ПП;

o  схемотехнические — трассировка печатных проводников, минимизация количества слоев, длины проводников и т. д.;

o  радиотехнические — расчет паразитных наводок, параметров линий свя­зи и т. д.;

o  теплотехнические ч- отвод тепла и обеспечение температурного режима;

o  конструктивные;

o  технологические.

Естественно, что решение всех этих задач должно быть комплексным и взаимообусловленным, с привлечением соответствующих специалистов. Од­нако на практике из-за ограниченных в настоящее время возможностей технических средств большинство задач решается последовательно. Рас­смотрим подробнее узловые моменты конструирования ПП. Максимальный размер ПП не должен превышать 470 мм. Обычно большая сторона ПП составляет 100 толщин. При выборе габаритов учитываются размеры блоков, кассет или типовых конструкций, для которых изготавли­ваются платы.

Толщина ПП обычно выбирается из ряда 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3 мм, с уче­том особенностей эксплуатации — вибрации, ускорения, наличия крупных навесных элементов и т. д.

Размеры сторон ПП желательно выбирать кратными:

o  2,5 при длине до 100 мм;

o  5,0 при длине до 350 мм;

o  10,0 при длине более 350 мм.

Соотношение линейных размеров сторон ПП обычно не более 3:1. Реко­мендуются следующие соотношения сторон: 1:1; 2:1; 3:1; 3:2; 5:2. Во всех случаях желательно выбирать прямоугольную форму ПП. Однако вышеперечисленные пожелания часто неосуществимы, особенно при проектировании бортовой автономной аппаратуры.

По краям ПП необходимо предусматривать технологическую зону шириной 1,5—5 мм, которую, нельзя занимать ни отверстиями, ни проводниками и которая обычно предназначена для крепления ПП к каркасу узла или для субблочных соединений.

Затем производят анализ исходной схемы и выделяют из схемы ряд элемен­тов, связанных с органами управления и сопряжения с другими ЭУ и бло­ками; высокочастотные узлы, элементы, отличающиеся высоким тепловы­делением, интерфейсные схемы.

Необходимо предусмотреть зону до 30 мм для установки электрического разъема применяемого типа. При необходимости установки теплоотводов места крепления для них обычно предусматриваются также на периферии ПП. Правда, при этом следует учитывать и общую конструкцию блока или даже всего изделия.

Далее конструктор, руководствуясь конкретными конструктивными ограни­чениями, осуществляет компоновку схемы по узлам методом случайных на­значений. Этот метод целиком базируется на конструкторском опыте разра­ботчика. Существует огромное число подтверждений эффективности этого метода. Опытные конструкторы, используя всего 2—3 итерации, успешно справляются с задачей. В большинстве случаев конструктор, используя ме­тод случайных назначений, по сути "просматривает" весь комплекс даль­нейших работ, предопределяя трассировку. Однако этот метод практически не может быть использован начинающими конструкторами или в тех случа­ях, когда схема содержит значительное число ЭРК (более 1000).

Результатом трассировки должно быть создание чертежа печатного монтажа будущей ПП. Ее чертеж содержит изображение ПП с рисунком печатных проводников, размеры, предельные отклонения и шероховатость поверхно­стей ПП, размеры расстояний между элементами, сведения о материалах, технические требования.

Это достаточно сложная задача, при решении которой необходимо обеспе­чить взаимное соединение выводов компонентов без пересечения печатных проводников. Одновременно должны решаться вопросы взаимных наводок и помех со стороны различных частей схемы, расположенных как на одной, так и на разных сторонах ПП, вопросы обеспечения минимальной длины печатных проводников для минимизации значений паразитных сопротивле­ний, емкости, индуктивности и т. д.

Вручную эта задача решается путем многократного макетирования и прори­совки печатных проводников, что даже у опытного конструктора занимает достаточно много времени, а все факторы учесть практически невозможно.

Предварительную оценку возможностей трассировки дают многие совре­менные пакеты автоматизированного проектирования. Так, в состав продук­та Р-САD 002 входит утилита Р1АСЕМNТ (см. приложение 14). На взгляд автора, применение этой утилиты во многих случаях весьма целе­сообразно, особенно на стадии проработки конструкции. Конечно, опыт­ный конструктор, как правило, обходится без предварительных оценок с использованием специализированных программ, однако, как говорится, "семь раз отмерь, один раз отрежь".

Печатные платы в зависимости от минимальной ширины печатных провод­ников и минимального зазора между ними делят на три класса. К классу 1 относят платы с пониженной плотностью монтажа, у которых ширина про­водников и зазор между ними должен быть не менее 0,5 мм. Класс 2 обра­зуют ПП имеющие ширину проводников и зазоры между ними не менее 0,25 мм. Платы класса 3 с шириной проводников и зазорами до 0,15 мм имеют высокую плотность монтажа и применяются в отдельных, технически обоснованных случаях. Более точные платы относятся к 4-му и 5-му клас­сам точности.