Конструкторско-технологический расчет элементов печатного рисунка

5.1.2 Конструкторско-технологический расчет элементов печатного рисунка

Расчет элементов печатного рисунка обычно включает две основные стадии: конструкторско-технологический расчет параметров элементов и расчет электрических параметров. Наравне с электрическими параметрами печатных плат необходимо определить такие конструктивно-технологические параметры печатной платы, как ширина и шаг трассировки печатных проводников, диаметр контактных площадок, число проводников, которое можно провести между двумя соседними отверстиями, диаметр отверстий на плате до и после металлизации.

При расчете элементов печатного монтажа следует учитывать технологические особенности производства, допуски на всевозможные отклонения значений параметров элементов печатного монтажа, установочных характеристик корпусов ИМС, требования по организации связей, вытекающие из схемы электронного функционального узла, а также перспективности выбранной технологии.

Исходные данные для конструкторско-технологического расчета элементов плат следующие: шаг координатной сетки по ГОСТ 10317-79 и равный 2,5 мм; допуски на отклонения размеров и координат элементов печатной платы от номинальных значений, зависящих от уровня технологии, материалов и оборудования; установочные характеристики навесных элементов.

Расстояние между центрами двух соседних отверстий на плате (контактных площадок) L условно делят на зоны :

а) контактной площадки;

б) печатного проводника;

в) зазора (между контактными площадками, печатными проводниками и контактными площадками и проводниками);

Понятие «зона печатного элемента» включает не только номинальное значение их размеров и координат, но и допуски на отклонение этих размеров от номинальных значений:

, (5.1)

где ширина зоны контактной площадки, мм;

 ширина одного печатного проводника, мм;

 число проводников между двумя соседними контактными площадками, шт;

 ширина зазора между соседними печатными элементами, для третьего класса точности равна 0,25 мм. ;

 шаг основной координатной сетки;

 коэффициент шага основной координатной сетки.

С учетом допусков на размеры печатных элементов:

 , (5.2)

где  максимальный диаметр контактной площадки, мм;

 максимальная ширина печатного проводника, для третьего класса точности равна ;

 величина максимального отклонения оси печатного проводника (или центра контактной площадки) от номинального положения, определяемая точностью изготовления фотооригинала и размерной стабильностью фотошаблона и равна ;

 предельная величина зазора, при которой еще гарантируется надежная изоляция печатных элементов друг от друга .

Диаметр контактной площадки не может быть меньше величины, обеспечивающей гарантированную ширину металла вокруг просверленного отверстия. С учетом возможного смещения центра отверстия относительно центра контактной площадки:

, (5.3)

где D _с - диаметр зоны сверления с учетом допусков на смещение центра отверстия, мм;

 минимальная ширина гарантированного пояска, принимаемая для всех типов плат равной .

Величина зоны сверления  складывается из диаметра отверстия и допусков на точность сверления, точность совмещения фотошаблонов (в случае МПП), а также точность фотошаблонов:

 , (5.4)

где  диаметр отверстия до металлизации;

 величина смещения фотошаблонов МПП. Для всех типов плат современная технология гарантирует не хуже ;

 величина отклонения центра отверстия при сверлении. Определяется точностью оборудования и составляет при ручном сверлении ,

Выводы ИМС и других навесных радиоэлементов вставляют в металлизированные отверстия печатной платы. Для этого необходимо, чтобы диаметр отверстия после металлизации был равен:

 , (5.5)

где эквивалентный диаметр выводов ИМС, навесных радиоэлементов, контактов разъема, равный ;

 величина зазора, обеспечивающая установку выводов в отверстия и их распайку .

Следовательно,

С учетом толщины слоя металлизации стенок отверстий, диаметр отверстий определяется по формуле:

, (5.6)

где толщина слоя металла на стенках отверстия .

Следовательно,

Шаг трассировки печатных проводников определяется выражением:

(5.7)

Следовательно,

Диаметр переходного отверстия рассчитывается по формуле:

, (5.8)

где  толщина печатной платы, принимаем равной

Следовательно,

Принимаем диаметр переходного отверстия равный

По формуле (5.3) рассчитаем диаметр контактной площадки переходного отверстия:

По формуле (5.4) рассчитаем диаметр зоны сверления монтажных отверстий:

По формуле (5.5) рассчитаем диаметр контактной площадки монтажных отверстий:

Минимальное расстояние для прокладки го количества проводников между двумя отверстиями с контактными площадками определим по формуле (3.18):

т.е. между двумя контактными площадками можно провести только один проводник.

Подтвердим данный расчет, расчетом на ЭВМ. В приложении 1 приведены результаты расчета элементов печатного рисунка на ЭВМ.

Произведем расчет максимальной длины печатных проводников.В печатных платах ЭВС проводники проходят на достаточно близком расстоянии друг от друга и имеют относительно малые линейные размеры сечения. При большом времени переключения и малых тактовых частотах параметры печатных проводников, соединяющих выходы этих элементов с входами других, не оказывают существенного воздействия на быстродействие всей схемы в целом и на помехоустойчивость элементов.

С увеличением быстродействия схемы все большее значение приобретают вопросы высокочастотных связей. Особенно это важно в микроэлектронных изделиях, поскольку время переключения составляет единицы и доли наносекунд и высока плотность размещения микросхем.

При передаче высокочастотных импульсных сигналов по печатным элементам платы из-за наличия индуктивного сопротивления проводников, взаимной индуктивности и емкости, сопротивления утечки между проводниками и др., сигналы задерживаются, «отражаются», искажаются, появляются также перекрестные помехи. Поэтому необходима проверка электрических параметров печатных проводников по переменному току.

Распределение переменного тока по сечению печатного проводника вследствие поверхностного эффекта неравномерно. При протекании по проводнику высокочастотного переменного тока внутри проводника образуется магнитное поле, приводящее к возникновению индукционного тока, взаимодействующего с основным. Вследствие этого происходит перераспределение тока по сечению проводника, и в результате его плотность в периферийных областях сечения возрастает, а ближе к центру уменьшается. На очень больших частотах ток практически равен нулю во внутренних слоях проводника.

Емкость между печатными проводниками, используемыми в качестве линий связи в логических схемах (также как индуктивность и взаимоиндуктивность) служит источником помех. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся случаи.

Емкость между параллельными печатными проводниками одинаковой ширины, расположенной на одной стороне платы:

(5.9)

где - ширина зазора между соседними печатными элементами;

 диэлектрическая проницаемость среды, которая определяется из выражения:

 (5.10)

где диэлектрическая проницаемость лака УР-231 ();

 диэлектрическая проницаемость материала платы (для стеклотекстолита ).

Следовательно,

;

Емкость между двумя параллельными проводниками, расположенными по обе стороны печатной платы с толщиной диэлектрика:

 (5.11)

где толщина изоляционного слоя, равная

Следовательно,

Собственная индуктивность печатного проводника:

(5.12)

Следовательно,

Индуктивность двух параллельных печатных проводников шириной, расположенных с одной стороны печатной платы и с заземляющей плоскостью:

(5.13)

где  ширина двух параллельных печатных проводников, мм.

Следовательно,

Индуктивность двух параллельных печатных проводников шириной, расположенных с одной стороны печатной платы без заземляющей плоскости:

(5.14)

Следовательно,

Конструктивная задержка в одиночном печатном проводнике зависит от паразитной индуктивности и емкости:

(5.15)

где погонная задержка в проводнике;

магнитная проницаемость ( для немагнитных материалов).

Следовательно,

Паразитная индуктивность и емкость определяются по формулам:

(5.16)

 (5.17)

Следовательно,

Для определения допустимых величин паразитных связей на печатных платах следует учитывать динамическую помехоустойчивость применяемых микросхем. Ее следует рассчитывать для двух случаев:

-    ложное срабатывание: помеха может привести к переключению микросхем функционального узла, не предусмотренному алгоритмом его работы;

-    сбой сигнала: помеха накладывается на информационный сигнал и препятствует переключению микросхем функционального узла в соответствии с алгоритмом их работы.

Динамическая помехоустойчивость микросхем характеризуется значениями амплитуды импульса помехи , длительностью помехи , при которых еще не происходит переключения R-S триггера.

Значение допустимой величины паразитной емкости между двумя соседними проводниками, полученное на основе экспериментального определения помехоустойчивости микросхем для случаев ложного срабатывания и сбоя сигнала для микросхем серии 1533 соответственно равны

Сбой сигнала следует учитывать в случае максимального быстродействия, при этом обеспечивается условие отсутствия ложных срабатываний.

Экспериментально полученное значение допустимой величины индуктивности шин заземления  в зависимости от величин протекающего в них импульсного тока, при которых еще не происходит переключение микросхем от помех в шине заземления равно .

Как видно из вышеизложенного расчета величины паразитной емкости между печатными проводниками и их индуктивность не превышают допустимых величин.

Проверочный расчет помехоустойчивости печатной платы заключается в расчете допустимых длин проводников в зависимости от учета одновременного действия емкостной и индуктивной паразитной связи между двумя параллельно расположенными проводниками.

В этом случае:

(5.18)

где допустимая длина параллельно расположенных соседних проводников при воздействии только паразитной емкостной связи, см;

допустимая длина параллельно расположенных соседних проводников при воздействии только индуктивной паразитной связи, см.

 (5.19)

 (5.20)

Следовательно,

,

Допустимая длина шины питания и земли определяется по формуле:

(5.21)

где  паразитная индуктивность шины питания и земли, определяется из выражения:

(5.22)

где длина шины питания и земли, см;

ширина шины питания и земли,см.

Следовательно,

По формуле (5.22) определим допустимую длину шины питания и земли:

Величину емкости конденсатора сглаживающего фильтра  определяют по формуле:

 , (5.23)

где  наибольшая длительность фронта импульса тока в переключающих схемах;

 число, показывающее во сколько раз уменьшится амплитуда паразитных осцилляций в шинах питания, ;

 суммарная индуктивность участков шин питания и заземления, по которым замыкается ток переключения схем.

Следовательно,

.

Для одновременного уменьшения низкочастотных и высокочастотных паразитных осцилляций в шинах питания рекомендуется параллельно низкочастотному конденсатору фильтра емкостью порядка  включать один или несколько (два, три) высокочастотных конденсаторов с малым модулем сопротивления.

Низкочастотные конденсаторы фильтра рекомендуется устанавливать по одному на каждый номинал питающего напряжения в непосредственной близости от разъема на плате.

Таким образом, максимальная длина проводников получилась гораздо больше чем есть в данной конструкции, следовательно данному критерию плата соответствует.

Похожие работы

Разработка конструкции и технология изготовления дублирующего устройства управления учебным автомобилем

Скачать

124866

3

8

... —к «массе». Качество отработки элементов вождения по трудным грунтам зависит от наличия и состояния цепей противоскольжения, трековых дорожек, матов и средств самовытаскивания 4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ДУБЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ 4.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ НАГРУЗКИ НА ВАЛ, ВОЗВРАТНЫЕ ПРУЖИНЫ И ПЕДАЛИ. Номинальное усилие на дополнительные педали тормоза и сцепления будет находиться в ...

Разработка конструкции и технологии производства упаковки из картона для пельменей

Скачать

168194

12

35

... автоматизированного управления технологическими процессами (АСУТП). Составление технического задания   Рис.9. Схема технологии производства упаковки из картона Разработка упаковки   Верстка графического дизайна   Изготовление макета     Раскладка на лист   ...

Разработка конструкции и технологии изготовления измерителя емкости

Скачать

65704

6

2

... ; ·  транзисторы; ·  разьемы; 4)  пайка 5)  очистка ПП; 6)  маркировка; 7)  контроль; 8)  настройка. Разработанная технология сборки приведена в приложении. Заключение В результате работы над курсовым проектом была разработана конструкция прибора измерителя емкости, которая полностью отвечает современным эргономическим, массогабаритным и функциональным требованиям, а также другим ...

Технология и автоматизация производства РЭА

Скачать

369637

0

0

... мероприятия по обеспечению однородности выпускаемой продукции. Все эти мероприятия можно объединить в четыре группы: 1. совершенствование технологии производства; 2. автоматизация производства; 3. технологические (тренировочные) прогоны; 4. статистическое регулирование качества продукции. 2.10. Проектирование технологических процессов с использованием средств ...