1.3. Разработка конструкции печатной платы Общие сведения

Конструкции печатных плат характеризуются группой параметров: структурных, геометрических и электрических.

К структурным параметрам относятся общее число слоев и их конструкция (односторонние и двусторонние). Структуру конструкции печатной платы образуют элементы конструкции: соединительные проводники и зазоры между ними, контактные площадки и зазоры между ними и соединительными проводниками, технологические, монтажные, крепежные и металлизированные отверстия, посадочные места под ИЭТ и электрические соединители, экраны, вырезы в экранах. Форма металлизированных отверстий, как правило, выбирается круглая; форму остальных элементов желательно выбирать прямоугольной или состоящей из прямоугольников, соединенных различными способами.

К геометрическим параметрам относятся ширина печатных проводников на сигнальных слоях и зазоров между проводниками, диаметры металлизированного отверстия и зенковки; ширина зазора между металлизированными отверстиями и между отверстиями и проводниками; расстояние между сигнальными и потенциальными слоями, в частности между слоями питания и земли; шаг сетки и ширина проводников на потенциальных слоях; толщина печатной платы заданной структуры и ее отклонение от номинала.

К электрическим параметрам относятся погонное сопротивление и погонная емкость (или волновое сопротивление) печатных проводников на сигнальных слоях, коэффициент связи между печатными проводниками, определяемый уровнем взаимных помех.

Все параметры конструкции печатных плат взаимосвязаны. Электрические параметры определяют требования к трассировке, геометрическим параметрам сигнальных проводников и расположению сигнальных и потенциальных слоев относительно друг друга. При отсутствии требований к электрическим параметрам печатных плат число слоев и их расположение полностью зависят от технологического процесса изготовления печатных плат.

Разработку конструкции печатной платы рекомендуется проводить по следующим этапам:

1) изучение технического задания на изделие (печатный узел, электронный модуль), в состав которого входит конструируемая печатная плата;

2) определение условий эксплуатации и группы жесткости;

3) выбор типа конструкции и класса точности печатной платы;

4) выбор материала основания;

5) выбор конструктивного покрытия;

6) размещение изделий электронной техники (ИЭТ);

7) выбор размеров, форм и расположения элементов проводящего рисунка;

8) выбор метода маркировки и ее расположения;

9) выполнение чертежа печатной платы и документации к нему.

Рассмотрим подробнее порядок проектирования ПП.

Этап 1. Изучение технического задания на изделие.

Условия эксплуатации, хранения и транспортирования определяют на основании требований технического задания на изделие, в состав которого входит конструируемая печатная плата.

Этап 2. Определение условий эксплуатации и группы жесткости.

В зависимости от условий эксплуатации определяют по ГОСТ 23752 группу жесткости, предъявляющую соответствующие требования к используемому материалу основания и необходимости применения дополнительной защиты от климатических, механических и других воздействий, и записывают в технических требованиях чертежа.

Этап 3. Выбор типа конструкции и класса точности печатной платы.

При выборе типа конструкции печатной платы следует учитывать:

- возможность выполнения всех коммутационных соединений;

- технико-экономические показатели;

- стоимость основного материала;

- возможность автоматизации процессов изготовления, контроля и диагностики установки ИЭТ.

По типу конструкции печатные платы подразделяются на односторонние, двусторонние и многослойные.

ОПП характеризуется возможностью обеспечивать повышенные требования к точности выполнения рисунка; установкой элементов на поверхность платы со стороны, противоположной стороне пайки, без дополнительной изоляции; возможностью использования перемычек из проводникового материала; низкой стоимостью конструкции. Поперечный размер конструкции ОПП приведен на рис. 1.3.1, а.

а)

б)

Рис.1.3.1. Поперечный размер конструкции ПП:

а - односторонняя ПП, б - двусторонняя ПП

Н_п – толщина ПП; Н_м – толщина материала основания ПП; Н_пс – суммарная толщина ПП; h – толщина проводящего рисунка; h_п – толщина химико-гальванического покрытия; L – расстояние между центрами (осями) элементов конструкции ПП; h_ф – толщина фольги; b – гарантийный поясок; D – диаметр контактной площадки; d – диаметр отверстия; s – расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка; t - ширина печатного проводника; Q – расстояние от края ПП, выреза паза до элементов проводящего рисунка

ДПП характеризуются возможностью обеспечивать высокие требования к точности выполнения проводящего рисунка. высокими коммутационными свойствами, повышенной прочностью соединения вывода навесного элемента с проводящим рисунком платы, более высокой стоимостью, чем ОПП. Поперечный разрез конструкции ДПП приведен на рис. 1.3.1, б. Возможности трассировки (прокладки соединительных печатных проводников) растут вдоль ряда ОПП – ДПП – МПП, но также возрастает трудоемкость изготовления.

Изготовление печатных плат определенного класса точности по ГОСТ 23751 обеспечивают в соответствии с табл.1.3.1.

Таблица 1.3.1

Область применения и технологическое обоснование

классов точности печатных плат

Печатные платы 1-го и 2-го классов точности наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость; 3-го класса – требуют использования высококачественных материалов, более точного инструмента и оборудования; 4-го и 5-го классов – требуют ограничения габаритных размеров, специальных материалов, прецизионного оборудования, особых условий для изготовления.

Этап 4. Выбор материала основания.

Материалы для ПП выбирают по ГОСТ 10316 или техническим условиям. Материалы, рекомендуемые для изготовления ДПП и ОПП, приведены в табл. 1.3.2.

Таблица 1.3.2

Материалы, рекомендуемые для изготовления печатных плат

Материал основания выбирают с учетом обеспечения физико-механических и электрических параметров печатных плат во время и после воздействия механических нагрузок, климатических факторов и химических агрессивных сред в процессе эксплуатации.

Для изготовления печатных плат с металлизированными отверстиями следует использовать материалы с гальваностойкой фольгой.

Для печатных плат, предназначенных для эксплуатации в условиях 1-й и 2-й групп жесткости по ГОСТ 23752, рекомендуется применять материалы на основе бумаги, для 3-й и 4-й групп жесткости – на основе стеклоткани, полиимида, лавсана.

Этап 5. Выбор конструктивного покрытия.

Для обеспечения стабильности электрических, механических и других параметров печатных плат необходимо применять конструктивные покрытия как металлические, так и неметаллические.

В качестве конструктивных металлических покрытий рекомендуется использовать металлы и сплавы, приведенные в табл.1.3.3.

Таблица 1.3.3

Материалы для конструктивных покрытий

Неметаллические конструктивные покрытия (защитные маски) используются для защиты:

- печатных проводников и поверхности основания печатной платы от воздействия припоя;

- элементов проводящего рисунка от замыкания навесных ИЭТ и других конструкционных элементов.

Для защиты печатных проводников и поверхности основания печатной платы от воздействия припоя используют диэлектрические защитные покрытия на основе эпоксидных смол, сухого пленочного резиста, холодных эмалей, окисных пленок.

Этап 6. Размещение ИЭТ.

Выбор варианта установки ИЭТ, их размещение на печатной плате описано в разделе 1.2.

Этап 7. Выбор размеров, форм и расположения элементов рисунка.

Размеры, формовку, а также места крепления печатных плат выбирают в зависимости от установочных размеров, элементной базы, эксплуатационных характеристик, использования автоматизированной установки ИЭТ, пайки, контроля и технико-экономических показателей.

Если нет каких-либо ограничений, ПП должна быть квадрат­ной или прямоугольной, а линейные размеры ее сторон - кратными (ГОСТ 10317):

- 2,5 - при длине до 100 мм;

- 5,0 - при длине до 350 мм;

- 10,0 - при длине более 350 мм.

Максимальный размер любой из сторон должен быть не более 470 мм, а соотношение линейных размеров сторон ПП - не более 3:1.

На печатной плате должен располагаться ориентирующий элемент, обеспечивающий ее однозначное положение в прямоугольной системе координат. В качестве ориентирующего элемента может быть использовано одно из фиксирующих отверстий: паз, вырез, окно и т.д.

При выборе толщины печатной платы следует учитывать, что с увеличением диаметра отверстий усложняется технология нанесения металлизации, поэтому рекомендуется увязывать диаметр металлизированного отверстия d_o и толщину печатной платы таким образом, чтобы соотношение d_o/Н_п было не менее 1:3.

Диаметры монтажных и переходных отверстий металлизи­рованных и неметаллизированных выбирают с учетом толщины ПП (табл.1.3.4).

Номинальное значение диаметра монтажного отверстия d (мм) рассчитывают по формуле

d = d_э + r + |Δd| , (1.3.1)

где d_э - максимальное значение диаметра вывода навесного ИЭТ, ус­танавливаемого на печатную плату (для прямоугольного вывода за диаметр берется диагональ его сечения); r - разность между мини­мальным значением диаметра отверстия и максимальным значением ди­аметра вывода (для прямоугольного - диагональ сечения) устанавливаемого ИЭТ. Величину r рекомендуется выбирать с учетом допусков на расположение выводов на корпусе устанавливаемого ЭРЭ; Δd - нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра от­верстия (табл.1.3.5).

Таблица 1.3.4

Наименьшие номинальные значения основных размеров

элементов конструкции ПП, мм

Диаметр монтажного отверстия выбирают таким, чтобы величина r была в пределах 0,1 - 0,4 мм.

Количество типоразмеров любых отверстий на ПП следует ограничивать. Рекомендуется на ПП применять не более трех типо­размеров монтажных и переходных отверстий.

Контактные площадки выполняют прямоугольной, круглой или близкой к ним форме. Контактные площадки, имеющие специальное назначение, например обозначение расположения первого вывода многовыводного ИЭТ, выполняют по форме, отличной от остальных контактных площадок.

Наименьшее номинальное значение диаметра контактной плошадки d (мм) под выбранное отверстие рассчитывается по формуле

D = d + Δd_во + 2b+Δt_во+ 2Δd_тр + (T_d² + T_D² + Δt²_но )^1/2, (1.3.2)

где Δd_во - верхнее предельное отклонение диаметра отверстия (табл.1.3.5); Δd_тр - величина подтравливания диэлектрика в отверс­тии, которая принимается равной 0,03 мм для МПП, для ОПП и ДПП - нулю; T_d - позиционный допуск расположения оси отверстия (табл.1.3.6); T_D - позиционный допуск расположения центра контакт­ной площадки (табл.1.3.7); Δt_во - верхнее предельное отклонение ди­аметра контактной площадки (табл.1.3.8); Δt_но - нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки (табл.1.3.8).

Таблица 1.3.5

Предельные отклонения диаметра Δd, мм

Расчетную величину диаметра контактной площадки следует ок­руглять в большую сторону до десятых долей миллиметра.

Для контактных площадок с формой, отличной от круглой, диа­метр определяется диаметром вписанной окружности с центром в узле координатной сетки.

Таблица 1.3.6

Значение позиционных допусков расположения осей отверстий T_d, мм

Диаметры контактных площадок рекомендуется выполнять возможно большего размера. У неметаллизированных отверстий площадь контактной площадки, без учета площади отверстия, должна быть не менее 2,5 мм² для ПП 1-го и 2-го классов точности и не менее 1,6 - для 3-го класса точности.

Ширину печатного проводника определяют в зависимости от электрических, конструктивных и технологических требований.

Наименьшее номинальное значение ширины печатного про­водника t (мм) рассчитывают по формуле

t = t_мд + Δt_но , (1.3.3)

где t_мд - минимальное допустимое значение ширины печатного про­водника (табл.1.3.4); Δt_но - нижнее предельное отклонение ширины печатного проводника (табл.1.3.8).

Таблица 1.3.7

Значение позиционных допусков расположения центров

контактных площадок T_D, мм

Таблица 1.3.8

Предельные отклонения ширины печатного проводника, контактной

площадки, концевого печатного контакта, экрана Δt для узкого места, мм

Расстояние между соседними элементами проводящего рисунка устанавливают в зависимости от электрических, конструк­тивных и технологических требований.

Наименьшее номинальное расстояние между соседними элементами проводящего рисунка s (мм) определяют по формуле

s = s_мд + Δt_во, (1.3.4)

где s_мд - минимальное допустимое расстояние между соседними эле­ментами проводящего рисунка (табл.1.3.4); Δt_во - верхнее предельное отклонение ширины элемента проводящего рисунка (табл.1.3.8).

Расчет наименьшего номинального расстояния l, мм, для прокладки n-го количества печатных проводников между двумя от­верстиями с контактными площадками диаметрами D₁ и D₂ производят по формуле

l = (d₁ + D₂)/2 + tn + s(n+1) + T_l, (1.3.5)

где n - количество печатных проводников; T_l - позиционный допуск расположения печатного проводника, который учитывается только при n > 0 (табл.1.3.9).

Таблица 1.3.9

Значения позиционных допусков расположения печатного проводника T_l

относительно соседнего элемента проводящего рисунка, мм

При необходимости электрическое сопротивление печатных проводников с покрытием R_c (Ом) определяют по формуле

, (1.3.6)

где ρ – удельное электрическое сопротивление; h – толщина печатного проводника с покрытием; k – количество участков печатного проводника на его расчетной длине, имеющих различную ширину; L_i – длина i-го участка печатного проводника на i-м участке; t_i – ширина печатного проводника на i-м участке.

При определении сопротивления печатного проводника, имеющего дополнительное покрытие толщиной менее 12 мкм с относительно высоким удельным сопротивлением (никелевым, оловянным, палладиевым), как правило, учитывают только сопротивление медного слоя, а сопротивление покрытий не принимают во внимание.

При толщине дополнительного покрытия более 12 мкм сопротивление печатного проводника определяют как сумму сопротивлений отдельных слоев.

Удельное электрическое сопротивление наиболее часто применяемых металлов приведено в табл. 1.3.10.

Этап 8. Выбор метода маркировки и ее расположения.

Маркировку (ГОСТ 2.314), наносимую на печатную плату, подразделяют на основную и дополнительную.

Основная маркировка наносится обязательно и должна содержать: обозначение печатной платы или ее условный шифр; дату изготовления (год, месяц); порядковый номер изменения чертежа, относящегося только к изменению проводящего рисунка.

Дополнительная маркировка наносится при необходимости и может содержать: порядковый или заводской номер печатной платы или партии печатных плат; позиционное или схемное обозначение ИЭТ или условный адрес их установки (Х5, У3, А8 и т.п.); цифровое обозначение первого вывода ИЭТ, точек контроля; обозначение положительного вывода полярного ИЭТ (знак «+»).

Таблица 1.3.10

Удельное электрическое сопротивление часто применяемых металлов

Условный шифр печатной платы, порядковый номер изменения чертежа, относящегося только к изменению проводящего рисунка, рекомендуется выполнять способом, которым выполняется проводящий рисунок.

Маркировочные символы дополнительной маркировки при наличии свободного места следует выполнять печатным способом, которым выполняется проводящий рисунок.

Маркировочные символы, выполненные из проводникового материала, не должны уменьшать минимально допустимого расстояния между соседними элементами проводящего рисунка. Допускается частичное одностороннее касание контуров символа соседнего элемента проводящего рисунка.

Обозначение первого вывода многовыводного навесного ИЭТ и точек контроля рекомендуется располагать вне проекции контура устанавливаемого ИЭТ.

Этап 9. Выполнение чертежа печатной платы и документации к нему.

Оформление чертежей печатных плат производят в соответствии с ГОСТ 2.417 и требованиями других стандартов ЕСКД.

Чертеж выполняют в масштабах 1:1; 2:1; 4:1; 5:1; 10:1. На чертеже изображают основные проекции с печатными проводниками и отверстиями, наносят координатную сетку тонкими линиями.

Основной шаг координатной сетки 2,5 мм, допускаются шаги 1,25 и 0,625 мм. Пример оформления чертежа печатной платы приведен на рис. 1.3.2.

За ноль в прямоугольной системе координат на главном виде ПП (у ОПП - вид со стороны проводящего рисунка) принимают левый ниж­ний угол ПП или центр крайнего нижнего отверстия, находящегося на поле платы.

При необходимости границы участка ПП, на котором не должно быть печатных проводников, например на двусторонней ПП, на черте­же выделяют утолщенной штрихпунктирной линией.

Группу одинаковых отверстий на чертеже обозначают одним из условных знаков, а количество отверстий и их размеры указывают в таблице, приводимой на поле чертежа ПП.

Круглые отверстия, имеющие зенковку, и круглые контактные площадки с круглыми отверстиями (в том числе и с зенковкой) изоб­ражают одной окружностью. Их форму и размеры указывают на поле чертежа.

Проводники на чертеже изображают одной линией, яв­ляющейся осью симметрии проводника, при этом их ширину указывают в текстовой части чертежа. Проводники шириной более 2,5 мм могут изображаться двумя линиями. Проводники, имеющие заданную ширину, показывают на чертеже без упрощений. Отдельные элементы проводящего рисунка ПП можно выделять штриховкой, зачернением и т.п.

На чертеже односторонней ПП показывают виды обеих ее сторон, при этом на стороне монтажа наносят позиционные обозначения ИЭТ в соответствии с принципиальной электрической схемой и знаки, уточ­няющие расположение навесных элементов, а над изображением поме­щают надпись «Сторона монтажа».

Чертеж двусторонней ПП, имеющей навесные элементы на одной стороне, дополняют видом проводящего рисунка со стороны монтажа.

Около видов платы на полках линий-выносок наносят краткие надписи или числа, относящиеся непосредственно к изображению.

Рис.1.3.2. Пример чертежа печатной платы