Электрический и конструктивно-технологический расчеты элементов печатного монтажа

4.2 Электрический и конструктивно-технологический расчеты элементов печатного монтажа

Выбирая конструкцию печатной платы, рассчитывая электрические параметры линий связи и подготавливая технологическое оборудование для изготовления ПП, необходимо определить такие параметры ПП, как ширина и шаг трассировки печатных проводников, диаметр контактных площадок, число проводников, которое можно провести между двумя соседними отверстиями, диаметр отверстий в плате до и после металлизации. При расчете ЭПМ следует учитывать допуски на всевозможные отклонения параметров ЭПМ, установочные характеристики корпусов ИМС, требования по организации связей, вытекающие из принятых схемотехнических решений, а также перспективность выбранной технологической базы.

Руководящие документы при расчете: ГОСТ 23751-86, ГОСТ 10317-79, ОСТ 4ГО.010.009, ОСТ 4ГО.010.011, ОСТ 4ГО.064.089

Расчет ЭПМ проводят в два этапа: на первом этапе производится конструктивно-технологический расчет ЭПМ; второй этап представляет собой электрический расчет.

Рассмотрим расчет элементов проводящего рисунка с учетом технологии изготовления печатной платы.

Стороны прямоугольной печатной платы располагают параллельно линиям координатной сетки. Шаг координатной сетки выбирется согласно данных, приведенных в таблице 4.2.1.

Таблица 4.2.1 – Шаг координатной сетки

Примечание – В скобках даны непредпочтительные значения.

Координатную сетку и начало координат располагают в соответствии с ГОСТ 2417-78. Для плат одного размера расположение координатной сетки должно быть одинаковым.

Отверстия и элементы проводящего рисунка располагают на печатной плате относительно базы координат. При размещении на печатной плате нескольких рисунков используют только одну базу координат. Базу координат выбирают таким образом, чтобы исключить наличие отрицательных значений координат у отверстий, используемых в печатной плате.

Элементы проводящего рисунка располагают от края платы, неметаллизированного отверстия (диаметром более 1,5 мм), паза, выреза и т. д. на расстоянии не менее толщины платы с учетом допуска на линейные размеры, для плат толщиной менее 1 мм на расстоянии не менее 1 мм, ели это не противоречит электрической прочности.

Диаметры монтажных и переходных отверстий металлизированных и неметаллизированных должны соответствовать ГОСТ 10317-79. (Под переходным отверстием печатной платы подразумевается отверстие, служащее для соединения проводящих слоев печатной платы.) Предпочтительные размеры монтажных отверстий выбирают из ряда 0,7; 0,9; 1,1; 1,3; 1,5 мм, а переходных отверстий из ряда 0,7; 0,9; 1,1 мм.

Номинальные значения диаметра монтажного отверстия определяются:

[ мм], (4.2.1)

где dэ — максимальное значение диаметра вывода навесного элемента, устанавливаемого на печатную плату; r — разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода устанавливаемого элемента (величину r рекомендуется выбирать в зависимости от допусков на диаметры выводов устанавливаемых элементов и их расположения на корпусе); ∆dн.о. — нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия.

Диаметры монтажных отверстий выбирают так, чтобы разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода устанавливаемого элемента была в пределах 0,1 ... 0,4 мм.

Предельные отклонения размеров диаметров монтажных и переходных отверстий устанавливают в соответствии с таблице 4.2.2.

Таблица 4.2.2 –Предельные отклонения диаметров монтажных и переходных отверстий, мм

Номинальное значение ширины проводника t в миллиметрах рассчитывается по формуле

, (4.2.2)

где tм.д — минимально допустимая ширина проводника (определяется далее); tн.о — нижнее предельное отклонение ширины проводника.

Предельные отклонения ширины проводника от номинального значения устанавливают в соответствии с табл. 4.2.3.

Таблица 4.2.3 – Предельное отклонение ширины проводника от номинального значения, мм

Номинальное значение расстояния между соседними элементами проводящего рисунка 5 в миллиметрах определяют по формуле

, (4.2.3)

где Sм.д—минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка; Sв.о—верхнее предельное отклонение ширины проводника.

Минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка Sм.д выбирают из расчета обеспечения электрической прочности изоляции в соответствии с ОСТ 4.010.019—81 или по ГОСТ 23751-79.

Диаметральное значение позиционного допуска расположения проводника относительно номинального положения d_l выбирают по табл. 4.2.4.

Таблица 4.2.4 – Диаметральное значение позиционного допуска расположения проводника относительно номинального положения, мм

Центры монтажных и переходных отверстий на печатной плате располагают в соответствии с ГОСТ 10317-79.

Диаметральное значение позиционного допуска расположения центров отверстий относительно номинального положения узла координатной сетки dd выбирают по таблице 4.2.5.

Таблица 4.2.5 – Диаметральное значение позиционного допуска расположения центров отверстий относительно номинального положения, мм

Предельное отклонение значения номинального расстояния между центрами двух отверстий печатной платы определяют как полусумму позиционных допусков расположения центров этих отверстий.

Диаметральное значение позиционного допуска dp расположения контактных площадок относительно его номинального положения выбирают по таблице 4.2.6.

Таблица 4.2.6 – Диаметральное значение позиционного допуска расположения контактных площадок относительно номинального положения, мм

Расчет минимального диаметра контактной площадки производят по формуле

, (4.2.4)

где  — верхнее предельное отклонение диаметра отверстия;  — глубина подтравливания диэлектрика для многослойных печатных плат (принимается равной 0,03 мм).

Расчет минимального расстояния для прокладки n-го количества проводников между двумя отверстиями с контактными площадками диаметрами  и  производят по формуле

, (4.2.5)

где n — количество проводников;  — допуск, который учитывается только при n > 0.

Центры монтажных отверстий под неформируемые выводы многовыводных элементов, межцентровые расстояния которых не кратны шагу координатной сетки, следует располагать таким образом, чтобы в узле координатной сетки находился центр по крайней мере одного из монтажных отверстий, центры монтажных отверстий под остальные выводы располагать в соответствии с требованиями конструкции устанавливаемого элемента.

Размеры и конфигурацию крепежных и других конструктивных отверстий, например для корпуса навесных элементов, выбирают по ГОСТ 11284 –75 зависимости от требований конструкции устанавливаемого элемента. Не рекомендуется использовать более трех различных диаметров монтажных отверстий. Все отверстия на печатной плате выполняют без зенковок. Допускается у металлизированных отверстий печатных плат притупление острых кромок и частичное затягивание фольги в не металлизированные отверстия. При расчете диаметра контактной площадки наличие притупления кромок не учитывают.

Отверстия подвергающиеся металлизации (переходные и монтажные), имеют диаметр не менее одной трети толщины платы, если последняя не меньше 0,1 мм. Диаметр монтажных отверстий после металлизации, мм, приближенно можно оценить по формуле

, (4.2.6)

при этом диаметр а отверстия под металлизацию, мм,

 (4.2.7)

Металлизированные отверстия должны иметь контактные площадки с двух сторон печатной платы. На внутренних слоях многослойной печатной платы контактные площадки должны быть у тех отверстий, которые связаны электрически с проводящим рисунком данного слоя.

Не металлизированные монтажные отверстия следует располагать в зоне контактной площадки. Допускается расположение контактной площадки рядом с не металлизированным отверстием. При этом формула (4.2.5) примет вид

 (4.2.8)

где  и —диаметры зон вокруг отверстий, свободных от проводящего рисунка. Диаметр зоны

 (4.2.9)

Таким образом, с учетом значений допусков на размеры печатных элементов, зазора, обеспечивающего установку выводов в отверстия и их распайку , толщины слоя металлизации , максимального отклонения оси печатного проводника от номинального положения , минимальной ширины гарантированно пояска B_min получим:

, (4.10)

где L – расстояние между центрами двух соседних отверстий в плате (контактных площадок); W_n – максимальная ширина печатного проводника; S_min – предельный зазор, при котором гарантируется надежная изоляция печатных элементов друг от друга; k – коэффициент шага основной координатной сетки (k=1,2,3…); А – шаг основной координатной сетки (А=2,5; 1,25; 0,625).

Контактные площадки могут иметь произвольную форму. Предпочтительной является круглая форма. Контактная площадка, предназначенная под установку первого вывода многовыводного элемента, должна иметь форму, отличную от остальных. Контактную площадку неметаллизированного монтажного отверстия, рассчитанную по (4.2.4), следует развивать в свободную сторону с таким расчетом, чтобы ее площадь, без учета площади отверстия, для 1-го и 2-го классов была не менее 2,5 мм², для 3-го и 4-го классов не менее 1,6 мм².

'Контактные площадки для автоматического контроля и диагностики следует выполнить круглой формы диаметром не менее 2 мм и располагать в узлах координатной сетки с шагом 2,5 мм в свободных местах в шахматном порядке так, чтобы расстояние между центрами контактных площадок, лежащих на одной линии координатной сетки, было кратно 5, а расстояние между центрами контактных площадок, лежащих на соседних линиях координатной сетки, кратно 2,5.

Минимальный диаметр контактной площадки рассчитывают по (4.2.4). Числовые значения диаметров контактных площадок для рекомендуемого ряда отверстий даны в ОСТ 4.010.019—81. Ширину проводников и расстояние между элементами проводящего рисунка определяют в зависимости от электрических, конструктивных и технологических требований.

 Печатные проводники рекомендуется выполнять одинаковой ширины по нормам для свободного места на всем их протяжении. Сужать проводники до минимального значения следует только в узком месте на возможно меньшей длине. Проводники шириной более 3 мм, расположенные на печатной плате со стороны пайки и на внутренних слоях многослойной печатной платы, выполняют в соответствии с рекомендациями для конструирования экрана ГОСТ 23751-79.

Минимальное расстояние для прохождения проводника в узком месте рассчитывают по (4.2.5).

В целях уменьшения сложности проводящего рисунка допускается применение перемычек в количестве не более 5 % от общего числа печатных проводников.

Печатные контакты переключателей располагают произвольно на любом участке полезной площади печатной платы. Размеры и взаимное расположение печатных контактов определяет конструкция переключателя.

Концевые печатные контакты располагают на краю печатной платы. Размеры контактных площадок и их расположение определяют из технических условий на гребенчатый соединитель. На торце печатной платы со стороны печатных контактов снимают фаску 0,3 Х 45°,

Все печатные контакты на плате должны иметь износоустойчивое покрытие, которое указывают на чертеже.

Исходные данные для конструктивно – технологического расчета ЭПМ расчета сведены в таблицу 4.2.7

Таблица 4.2.7 – Исходные данные к конструктивно-технологическому расчету ЭПМ

Выбор исходных данных был осуществлен исходя из следующих предпосылок: 1) плата 3-его класса точности (п. 4.1); 2) тип –ДПП (учитывая число внешних и внутренних связей, а также конструктивные ограничения, накладываемые требованием по использованию стандарта ISA); 3) номинальные значения для выбранного типа и класса точности ПП [11]; 4) тип корпуса для используемых микросхем –42 (как наиболее распространенный [12], эквивалентный диаметр вывода равен 0,5 мм, шаг выводов –1,25 мм (типовые значения для данного типа корпуса)); 5) из выражения (4.10) видно, что если принять d_в = 0,5 мм и k = 1, то для рассматриваемого случая между двумя контактными площадками, расположенными на расстоянии друг от друга А=1,25, нельзя провести ни одного печатного проводника.

Расчет ЭПМ выполнен с помощью ПППКЭВС.

Результаты расчета приведены в таблице 4.2.8.

Таблица 4.2.8 – Результаты конструктивно-технологического расчета ЭПМ

В связи с тем, что для рассматриваемого случая между двумя ближайшими соседними контактными площадками, расположенными нельзя провести ни одного печатного проводника, корпуса ИМС на плате следует располагать свободно, оставляя зазоры между ними для прокладки печатных проводников.

Разность kA-L (для рассматриваемого случая равна 0,23 мм) позволяет судить о возможности создания технологических запасов величин W_n, S_min и B_minи их величинах. Рациональное распределение этих запасов между расчетными параметрами печатной платы позволяет повысит процент выхода годных при изготовлении ПП, повысить надежность и снизить требования к технологии [12].

Вторым этапом расчета ЭПМ является электрический расчет.

Электрическое сопротивление проводников с покрытием определяют по формуле

, (4.2.10)

где р — удельное электрическое сопротивление; h — толщина проводника с покрытием; k — количество участков печатного проводника на его расчетной длине, имеющих различную ширину; li; — длина i-го участка печатного проводника шириной ti, — ширина печатного проводника на i-м участке.

При определении сопротивления, проводников, имеющих дополнительное покрытие толщиной менее 12 мкм с относительно высоким удельным сопротивлением (например, никель, олово, палладий), как правило, рассчитывают только сопротивление медного слоя, а сопротивление покрытий не принимают во внимание. При толщине дополнительного покрытия более 12 мкм сопротивление проводника определяют как сумму сопротивлений отдельных слоев. Сопротивление медного проводника с дополнительным медным покрытием рассчитывают исходя из их суммарной толщины.

Расчет электрического сопротивления печатного проводника без. покрытия R_б производят по формуле

 (4.2.11)

где Rj — электрическое сопротивление i-го участка печатного проводника постоянной ширины и толщины, определяемое для заданных значений температуры.

Допустимую токовую нагрузку на элементы проводящего рисунка следует выбирать из условий допустимого превышения температуры проводника над температурой окружающей среды. Например, для медного проводника толщиной h= 35 мкм, шириной t=1 мм при нагреве на 20 С. нагрузочная способность по току примерно 3 А [11].

Для проводников имеющих дополнительное металлическое покрытие hн < 12 мкм, за толщину проводника принимают толщину основного проводящего слоя (фольги). Для проводников, имеющих дополнительное покрытие меди толщиной более 12 мкм, за толщину принимают суммарную толщину h основной и дополнительно осажденной меди.

Допустимую токовую нагрузку следует уменьшить на 15 % для проводников, расположенных на расстоянии, равном или меньшем их ширины.

 Электрический расчет элементов ЭПМ включает два подэтапа: расчет по постоянному и переменному току.

Расчет по постоянному току практически выполняется для цепей питания и «земли». Необходимо оценить наиболее важные электрические свойства печатных плат по постоянному току: нагрузочную способность проводников по току, сопротивление изоляции и диэлектрическую прочность основания платы. Практически сечение проводника рассчитывают по допустимому падению напряжения Uп на проводнике:

 , (4.2.12)

где р — удельное сопротивление проводника, Ом-мм/м; h_ф, t, l_п — соответственно толщина фольги, ширина и длина проводника, мм; I_п — ток через проводник.

Для электронных логических схем допустимое падение напряжения в цепях питания и «земли» не должно превышать 1—2 % от номинального значения подводимого напряжения ЕК, поэтому требуемое сечение печатного проводника шины питания и «земли» вычисляется по формуле

, (4.2.13)

где  - сечение печатного проводника шины “земли” .

При передаче высокочастотных импульсных сигналов по ЭПМ из-за наличия индуктивного сопротивления проводников, взаимной индуктивности и емкости между проводниками и других факторов [11], сигналы задерживаются, отражаются, искажаются, появляются перекрестные помехи. Расчет по переменному току позволяет уточнить максимальную допустимую длину одиночного проводника, величины зазоров между проводниками, длину совместного прохождения проводников в системе, состоящей из группы параллельных проводников.

В связи с тем, что в разрабатываемой системе нет линий связи, по которым распространяются высокочастотные сигналы, способные вызвать вышеназванные процессы, рассчитывать ЭПМ по переменному току не представляется необходимым. Минимальная ширина проводников в этом случае ограничена технологическими возможностями производства согласно ОСТ 4ГО.010.019-81, ГОСТ 23751-86 для выбранного класса точности изготовления печатной платы.

Так как в разрабатываемом модуле АЦП используются аналоговые и цифровые микросхемы с номиналами питающего напряжения ±5В, ±15В, кроме раздельных шин питания (для номинала +5В) и земли для цифровой и аналоговой части (БГУИ.411117.001Э3) необходимо просчитать шину питания для аналоговой части (номинал напряжения +15В).

Рассчитаем по (4.2.13), учитывая справочные данные по потребляемой мощности применяемых микросхем [5,13], принимая во внимание возможные размеры трассировочного поля и наихудший вариант трассировки и наихудший случай по максимальной нагрузке на одну шину, шины питания и земли для цифровой части S_{пз. ц}, шины питания и земли для аналоговой части S_{пз. а+5в}, S_{пз. а±15} .

Таким образом, получим:

 [м²];

[м²];

[м²].

Если принять толщину фольги равной 50 мкм (наиболее распространенная толщина для отечественных марок фольгированного стеклотекстолита [11]), получим следующие значения для минимальной ширины шин:

[мм];

[мм];

[мм].

Таким образом, из полученных результатов видно, что только ширина шины питания и земли для цифровой части модуля АЦП реально превосходит номинальное значение ширины печатного проводника для разрабатываемой ПП (таблице 4.7).

Полученные в результате выполнения конструктивно-технологического расчета конкретные значения параметров и размеров ЭПМ должны быть обеспечены в процессе изготовления печатной платы.

Похожие работы

Разработка системы резервного электропитания

Скачать

70955

13

10

... источника меньше допустимого значения) и блок управления включает индикатор “Смените источник питания”. При восстановлении напряжения сети системы резервного электропитания опять переходит в режим нормальной работы. 2. Конструкторско-технологический раздел   2.1 Разработка печатной платы Печатные платы представляют собой диэлектрическую пластину с нанесенным на нее токопроводящим рисунком ( ...

Системы технологий электроники и приборостроения. Основные технологические процессы, используемые на предприятиях комплекса

Скачать

69640

0

18

... . Во второй период жизненного цикла включается освоение изделия в промышленном производстве (ОСП). Практика показывает, что на этой стадии возникают и конструкторские изменения, и изменения в технологических процессах, и изменения уровня оснащенности производства специальными видами оснастки и оборудования. Точное соблюдение технологического процесса – одно из важнейших организационных условий ...

Разработка конструкции и технологии изготовления модуля управления временными параметрами

Скачать

138399

23

10

... УЛПМ-901. 11 Визуальный контроль качества сборки при увеличении 2,5. ГГ6366У/012. Маршрутная карта на техпроцесс изготовления печатной платы приведена в приложении. 8 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА 8.1 Характеристика изделия «Модуль управления временными параметрами». Обоснование объема производства и расчетного периода Модуль управления временными параметрами – ...

Разработка конструкции цифрового синтезатора частотно–модулированных сигналов

Скачать

111585

12

2

... Подставив значения, получим: . Таким образом, можно сказать, что спроектированное устройство на 44% защищено от вибрационных воздействий. 3.1 Разработка принципиальных схем синтезатора Цифровой синтезатор частотно – модулированных сигналов позволяет формировать л.ч.м. – сигналы и предназначен для работы в составе л.ч.м. – ионозонда в качестве возбудителя передатчика. На принципиальной ...