Практические рекомендации по разработке печатных плат (стр. 1 )

Практические рекомендации по разработке печатных плат

Современные электронные узлы значительно отличаются от устройств раз­работки конца 80-х—начала 90-х годов. Во-первых, новые технологии по­верхностного монтажа привели к уменьшению габаритов компонентов в 3— 6 раз. Во-вторых, появились новые корпуса интегральных схем с малым ша­гом между выводами (0,5—0,65 мм), корпуса с шариковыми выводами (ВGА), новые малогабаритные дискретные компоненты и соединители. В-третьих, повысилась точность изготовления печатных плат, увеличились возможности для разводки сложных устройств в малых габаритах. Появле­ние новой элементной базы позволяет говорить о возможности воплощения сложных систем на одной плате и даже на одном кристалле (system-on-chip). Это означает, что на одной и той же типичной плате устройства обра­ботки сигналов в малых габаритах размещаются высокочувствительный ана­логовый тракт, аналого-цифровой преобразователь, высокоскоростная схема цифровой обработки на процессоре и/или программируемых логических интегральных схемах, буферные элементы и драйверы линий связи, элемен­ты стабилизаторов напряжения питания и преобразователей уровня и другие узлы. Естественно, что это накладывает свой отпечаток на методологию разработки платы.

Рассмотрим подходы к конструированию электронных устройств (ЭУ) и возможности использования САПР. В настоящее время в мировой практике конструирования ЭУ принят принцип конструирования, когда более высо­кие конструктивные элементы составляются из элементов более низких уровней. Всего в ЭУ различают 4 конструктивных уровня.

К элементам нулевого уровня относятся все дискретные компоненты, вклю­чая интегральные микросхемы. Элементами первого уровня являются узлы или типовые элементы замены (ТЭЗ), платы или субблоки, представляющие собой конструктивное объединение элементов нулевого уровня. Отличи­тельной чертой узлов является то, что они не имеют самостоятельного функционального значения.

К элементам второго конструктивного уровня относятся блоки. В них могут быть использованы десятки элементов первого уровня. Блоки отличаются тем, что могут иметь самостоятельное функциональное значение и могут быть использованы как отдельные электронные устройства. Характерным признаком является наличие у блоков органов управления, настройки, кон­троля и сопряжения с другими блоками аппаратуры.

К элементам конструкции третьего уровня относятся шкафы или стойки, в которых могут объединяться несколько блоков, входящих в систему данной аппаратуры. Конструкция стоек предусматривает наличие всех системных соединений блоков, обеспечение их источниками питания и вентиляцией.

Корпуса ИС классифицируют по форме и расположению выводов и делят на 5 типов (табл. 2.2) (ГОСТ 17467-79).

Таблица 2.2. Типы корпусов ИС

Тип	Форма проекции на площадь основания	Проекция выводов на плоскость основания	Расположение выводов относительно плоскости основания
1	Прямоугольная	В пределах проекции корпуса	Перпендикулярное
2	То же	За пределами проекции корпуса	То же
3	Круглая	В пределах проекции корпуса	То же
4	Прямоугольная	За пределами проекции корпуса	Параллельное
5	Тоже	В пределах проекции корпуса	В плоскости и по периметру

Формовка — это обрезка лишней длины выводов ИС и ЭРК (в зависимости от толщины используемой печатной платы (ПП) и типа корпуса) и их гиб­ка. При установке деталей на плату выводы должны выступать за противо­положную сторону ПП не менее чем на 0,5 мм и не более чем на 1,5 мм. При опасности короткого замыкания между проводниками ПП и корпусом ЭРК, что бывает при интенсивном тепловыделении, компоненты устанав­ливаются на плату с зазором. Такая установка достигается использованием изоляционных прокладок, надеванием на выводы пластмассовых или керамических шайб или формованием на выводах волны (загиба) на требуемом расстоянии от проводника на плате.

При разработке изделий часто применяют функциональный принцип деле­ния на приборы, блоки, узлы. При этом аппаратура разбивается на такие части, которые выполняют самостоятельные функции. Функциональный принцип компоновки ЭУ увеличивает возможности использования одних и тех же сборных единиц в новых системах с неоднократно повторяющимися узлами. При этом изменение или модернизация одного узла не повлечет за собой переделку других функциональных сборочных единиц и не вызовет изменения всего устройства и перестройки производства. Кроме того, на­стройка и регулировка функционально полного узла значительно проще и соответственно упрощается состав контрольно-проверочной аппаратуры.

Конструктивным основанием ЭУ чаще всего является печатная плата (ПП). ПП повышает надежность, повышает плотность монтажа, увеличивает тех­нологичность, обеспечивает высокую повторяемость, снижает стоимость, повышает быстродействие и помехозащищенность ЭУ.

Как известно, печатная плата представляет собой изоляционное основание с нанесенными на нем тонкими электропроводящими покрытиями, которые выполняют функции монтажных проводов и элементов схемы (например, конденсаторов, катушек индуктивности, переключателей, электрических разъемов и т. д.). Печатная плата является деталью, так как она не требует при изготовлении сборочных операций.

Печатный проводник — участок токопроводящего покрытия, нанесенный на изоляционное основание.

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

Навесные элементы — электро - и радиокомпоненты (ЭРК), устанавливаемые на ПП и имеющие электрический контакт с печатными проводниками.

Контактная площадка — участок печатного проводника, предназначенный для присоединения объемных проводников и выводов навесных элементов. Этот участок окружает монтажное отверстие или примыкает к нему.

Монтажное отверстие — металлизированное или неметаллизированное от­верстие, предназначенное для монтажа выводов навесных элементов.

Крепежное отверстие — отверстие, предназначенное для крепления ПП или навесных элементов к ПП.

Координатная сетка — сетка, наносимая на изображение платы и служащая для определения положения монтажных отверстий, печатных проводников и т. д.

Свободные места — участки ПП, где при размещении проводников могут быть выдержаны рекомендуемые значения ширины проводников и расстоя-ния между проводниками и контактными площадками.

Узкие места — участки ПП, где ширина проводников, расстояния между ними и контактными площадками выполняются меньше рекомендуемых (вплоть до минимально допустимых).

Идея изготовления ПП была предложена и запатентована в 1940 году в Айслером. На металлизированную поверхность платы Айслер (аналогично принципу клише) наносил кислотостойкой краской нужный рисунок провод­ников. Затем .травлением в кислоте удалялся незащищенный слой фольги, да­лее щелочью удалялась краска и образовывалась топология разводки.

Печатная плата представляет собой диэлектрическое листовое основание, к которому с одной или двух сторон приклеена электропроводная фольга (обычно медная, толщиной 35—50 мкм). В качестве основы используется несколько видов листового материала: гетинакс, текстолит, стеклотекстолит. В табл. 2.3 приведены некоторые типы применяющихся материалов.

Таблица 2.3. Материалы для изготовления ПП

Наименование материала	Марка	Толщина с фольгой, мм
Фольгированный гетинакс	ГФ-1-35	1,5;2;2,5;3
Фольгированный стеклотекстолит	ГФ-2-35	1,5; 2; 2,5; 3
Фольгированный стеклотекстолит термостойкий (до180°С)	ГФ-1-50 ГФ-2-50	1,5;2;2,5;3 1,5;2;2,5;3
Фольгированный стеклотекстолит повышенной нагревостойкости	СФ-1-35 СФ-2-35	0,8; 1; 1,5; 2; 2,5; 3 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3
Теплостойкий фольгированный стеклотекстолит	СФ-1-50 СФ-2-50	0,13; 0,15; 0,2; 0,3 0,35 ... 2; 2,5
Фольгированный текстолит	СФ-1Н СФПН-1- 50 СТФ-1 СТФ-2 СТПА-5-1 СТПА-5-2	0,1; 0,12; 0,13,0,15 0,2; 0,25; 0,3; 0,35

В ряде случаев могут быть использованы листовой фторопласт и некоторые другие материалы. Из всех применяемых материалов гетинакс уступает ос­тальным материалам по физико-механическим и электрическим парамет­рам. Наиболее широко в настоящее время для изготовления ПП использу­ется фольгированный стеклотекстолит. Одной из часто решаемых задач при проектировании плат является опреде­ление максимального тока через проводник печатной платы, особенно эта задача актуальна при трассировке цепей питания и силовых цепей.

Рис. 2.72. Зависимость ширины дорожки от протекающего тока

На рис. 2.72 приведена зависимость ширины дорожки от протекающего то­ка при толщине покрытия 1 или 2 унции, 1 унция соответствует толщине металлизации 1,3435 mil или 0,0013435 дюйма.

Сопротивление печатных проводников можно рассчитать по формуле:

R=ρl /(btn),

где ρ — удельная электропроводность фольги: ρ = 0,0175 мкОм/м для меди, полученной химическим методом; ρ= 0,0235 мкОм/м — для меди, полу­ченной электрохимическим методом; ρ = 0,02 мкОм/м — для меди, полу­ченной комбинированным методом;

l — длина печатного проводника;

b— ширина печатного проводника;