2.2 Конструктивно-технологічний розрахунок друкованої плати

Для визначення основних параметрів друкованого монтажу виконується конструктивно-технологічний розрахунок друкованого монтажу, який виконується з урахуванням виробничих похибок малюнку провідних елементів, фотошаблонів, базування, свердління й т.п.

Основні умовні позначення, які використовуються при розрахунку, і графічне зображення ДП наведені на рисунку 2.1

Рисунок 2.1 - Основні умовні позначення і графічне зображення ДП

Hn - товщина ДП;

Hnc - загальна сумарна товщина ДП;

Hм - товщина основи ДП;

hn - товщина фольги;

h - товщина провідного малюнку;

l - відстань між центрами елементів;

t - ширина друкованого провідника;

Q - відстань від краю плати до елементів провідного малюнка;

d - діаметр отвору;

b - ширина гарантійного паску;

D - діаметр контактної площадки;

S - відстань між краями сусідніх елементів провідного малюнка.

Мінімальний діаметр перехідного отвору:

, (2.2)

де Нп - товщина друкованої плати мм;

I - відношення діаметра металізованого отвору до товщини ДП (таблиця 2.2).

Згідно з ДСТУ 10316-78 вибираємо товщину діелектрика 1.5 мм.

Таблиця 2.2 - Номінальні значення основних параметрів друкованого монтажу для вузьких місць

Приймаємо діаметр перехідного отвору 0,7 мм.

Мінімальне значення діаметра монтажного отвору визначаємо із співвідношення:

, (2.3)

де d_В - максимальне значення діаметра виводу навісного елемента;

d_Н - нижнє граничне відхилення номінального значення діаметру отвору (таблиця 2.3);

-зазор між виводами і монтажним отвором для пайки ( = 0,1…0,4 мм).

Таблиця 2.3 - Допустимі похибки виконання конструктивних елементів

Для виводів d_В =0,5 мм мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

d_мо1= 0,5+0,2+0,05=0,75 мм; приймаємо d_мо1=0,8 мм;

для виводів d_в=0,6 мм мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

d_мо2=0,6+0,2+0,05=0,85 мм; приймаємо d_мо2=0,9 мм;

для виводів d_в=0,7 мм мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

d_мо3=0,7+0,2+0,05=0,95 мм; приймаємо d_мо3=1,0 мм;

для виводів d_в=0,8 мм мінімальне значення діаметру монтажного отвору:

d_мо4=0,8+0,2+0,05=1,05 мм; приймаємо d_мо4=1,1 мм.

Номінальне значення ширини провідника t розраховуємо за формулою:

, (2.4)

де - мінімально допустима ширина провідника (таблица2.2);

t_но - нижнє граничне відхилення ширини провідника (таблиця 2.3).

Для вільного місця номінальне значення ширини провідника:

Приймаються номінальне значення ширини провідника t₁ = 0,3 мм.

Номінальне значення відстані між сусідніми елементами провідного малюнка визначаємо за формулою:

S = S_м + t_во, (2.5)

де S_м - мінімально допустима відстань між сусідніми елементами провідного малюнка (табл.2.2);

t_во - верхнє граничне відхилення ширини провідника (таблиця 2.3).

Для вільного місця номінальне значення відстані між сусідніми елементами провідного малюнка:

Приймаються номінальне значення відстані між сусідніми елементами провідного малюнка S = 0,3 мм. Розрахунок мінімального діаметру контактної площадки виконуємо за формулою:

(2.6)

де - діаметр отвору;

- підтравлювання діелектрика, мм;

- діаметральне значення позиційного допуску розміщення центрів отворів щодо номінального положення (табл.2.3);

- діаметральне значення позиційного допуску розміщення контактних площадок щодо номінального положення (табл.2.3).

;

при d_мо1=0,8мм

;

при d_мо2=0,9мм

;

при d_мо3=1 мм

;

при d_мо4=1,1 мм

;

Приймаємо D_по = 1,1 мм, D₁ = 1,44 мм, D₂ = 1,54 мм, D₃ = 1,64 мм, D₄ = 1,74 мм.

Розрахунок мінімальної відстані для прокладки n-ї кількості провідників між контактними майданчиками виробляємо тільки для елементів, між виводами яких проходять друковані провідники:

l = D + t * n + S * (n + 1) + дl, (2.7)

де n - кількість провідників, n = 1;

дl - позиційний допуск розташування провідника (таблиця 2.2).

l₂ = 1,54 + 0,5 + 0,5 * (1 + 1) + 0,05 = 3,09 мм

З вищенаведеного розрахунку можна зробити висновок, що відстань між двома сусідніми контактними площадками, призначеними для установки мікросхем D9 і D10, недостатня для прокладки одного провідника з урахуванням обмежень, що предявляються до друкованого монтажу, тому контактні площадки у разі потреби можна підрізати із збереженням ширини гарантійного паска b = 0,05 мм.

На рисунку 2.2 представлені необхідні параметри для розрахунку контактних площадок КПМ.

Розрахунок контактних площадок елементів поверхневого монтажу проводиться за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення (ПЗ) LP Calculator. Дане ПЗ, робить розрахунок контактних площадок відповідно до стандарту IPC-7351A, розробленого асоціацією IPC у співробітництві з компанією PCB Matrix Corp.

Рисунок 2.2 - Контактні площадки для КПМ

Результати розрахунку компонентів поверхневого монтажу зведені до таблиці 2.4

Таблиця 2.4 - Результати розрахунку КПМ

Крок між контактними площадками для елементів з планарними виводами дорівнює кроку виводів відповідних елементів.

Отримані значення параметрів друкованих елементів можуть коректуватися у бік збільшення на підставі електричного розрахунку тих же елементів по постійному струму, який приведений в підрозділі 2.4.

2.3 Постановка завдання трасування друкованої плати

Визначення конкретної геометрії друкованого монтажу, що реалізує зєднання між елементами схеми, називається трасуванням. Вихідними даними для трасування є схема електрична принципова, результати компонування елементів на ДП і конструкторсько-технологічний розрахунок зроблений раніше.

Зіставляючи схему електричну принципову і компоновку елементів, можна чітко визначитися з місцем розташування елементів на платі. Для досягнення високої якості трасування був проведений конструкторсько-технологічний розрахунок.

При трасуванні зєднань необхідно виконувати основні вимоги ГОСТ 10317-79, ГОСТ 2.41778.

Спочатку на поверхню друкованої плати паралельно її сторонам наноситься координатна сітка. У лівому нижньому куті плати приймаємо початок координат. Цей кут називається базою. Основний крок координатної сітки 1,27 мм (стандартний для дюймової системи координат, що використовується в програмному додатку PCAD). Центри отворів і контактних площадок рекомендується розташовувати у вузлах координатної сітки. Для збільшення надійності контактних площадок при експлуатації виробу приймається округла форма.

Пряма розводка є найпростішим способом трасування. У цьому випадку траси прокладаються по найкоротшому шляху, що повязує ці точки. Траси проходять поруч з уже прокладеними трасами, огинаючи їх.

Метод має такі недоліки: надмірна заплутаність отриманого малюнка друкованого монтажу; низька ефективність у складних схемах; значне збільшення сумарних довжин звязків; наявність великої кількості перехідних отворів. Тому цей метод розведення рекомендується застосовувати для нескладних схем.

Координатний спосіб розведення передбачає розміщення провідників на різних шарах плати. Для виконання діагональних зєднань і запобігання перетину провідників вводять перехідні отвори, які погіршують характеристики ДП. Велика кількість перехідних отворів збільшує вартість ДП, знижує надійність, ускладнює технологічний процес виготовлення ДП.

У даному випадку для зменшення довжини провідників їх розташовують у взаємно перпендикулярних площинах. Звязок здійснюється за допомогою металізованих перехідних отворів.

Трасування блоку виконувалася в програмі PCAD.

2.4 Розрахунок по постійному струму

Найбільш важливими електричними властивостями друкованих плат є навантажувальна здатність провідників по струму, опір провідників і діелектрична міцність основи друкованої плати. Беремо методику розрахунку з [5].

Спочатку розрахуємо потрібний перетин провідника сигнальної ланцюга:

мм^{2 (}2.9)

де - питомий опір провідника (для провідників, отриманих методом електрохімічного нарощування = 0,05 Ом·ммІ/м);

I - струм, що видається в навантаження (для сучасних серій МС I ? 0,1A);

l - максимальна довжина провідника (приймемо l =0,1 м);

U_{З. ПУ} - запас перешкодостійкості (для сучасних серій інтегральних схем U_{З. ПУ} = 0,4…0,5 В).

Необхідна ширина друкованого провідника:

мм² (2.10)

де h_ф - товщина фольги (h_ф = 0,035 мм).

Для друкованих плат третього класу точності ширина друкованого провідника повинна бути порядку 0,25 мм, тому виходячи з цього і враховуючи технологічні можливості приймаємо ширину друкованого провідника для плати t = 0,3 мм.

Ширина друкованого провідника шини живлення і землі:

(2.11)

Для U_П=5 В:

мм.

Мінімальна ширина шин живлення й "землі"

Для U=5В:

,

Приймається ширина ланцюгів живлення і землі однаковою: при U_П =5В - b_жз=0,71 мм.

Зазор між провідниками вибирають в залежності від різниці напруг між сусідніми провідниками. Напруга пробою лакованих плат визначається електричною міцністю лакового покриття. Для друкованої плати, що розроблюється, мінімальний зазор складає 0,35 мм.

Отриманий для конкретної різниці потенціалів між провідниками зазор має бути збільшений, якщо опір витоку між провідниками перевищить допустиме значення, обчислене на основі аналізу принципової схеми. Розрізняють два види електропровідності діелектриків: поверхневу та обємну.

Поверхневий опір ізоляції паралельних друкованих провідників обумовлюється наявністю питомої поверхневого опору діелектрика плати:

Ом (2.12)

де l_З - зазор між провідниками;