Название: Конструирование РЭС (Н.С. Шляпников)

Жанр: Радиотехнический

Просмотров: 1704


3.1.2. анализ и выбор типа  печатной платы

При разбиении устройства на составные части основным критерием является принцип функциональной законченности. Это обеспечивает минимальное количество внешних соединений, уменьшает интенсивность отказов за счет уменьшения количества межъячеечных  контактов,  улучшает  массогабаритные  и  технические  показатели.  На одной плате может располагаться одна или несколько функционально законченных схем. Чем больше интегральных микросхем на ПП, тем меньше внешних соединений.

По конструкции ПП с жестким или гибким основанием делится на типы: односторонние, двусторонние и многослойные. Разновидности типов представлены на рис.3.1.

 

 

Рис. 3.1. Разновидности типов ПП

 

При выборе типа ПП для разрабатываемой конструкции изделия следует учитывать технико-экономические показатели. Ориентировочное изменение трудоемкости изготовления ПП в крупносерийном производстве в зависимости от ее типа и класса точности приведено на рис.3.2 и рис.3.3.

Рис. 3.2. Зависимости

трудоемкости изготовления

ПП от ее типа

 

Рис. 3.3. Зависимости трудоемкости изготовления ПП

от класса точности

Односторонние печатные платы (ОПП) характеризуются: возможностью обеспечить повышенные требования к точности выполнения проводящего рисунка; установкой навесных  элементов  на  поверхность  платы  со  стороны,  противоположной    стороне пайки,  без дополнительной  изоляции;

 

 
возможностью использования перемычек из проводящего материала, низкой стоимости конструкции. Поперечный размер конструкции приведен на рис.3.4.

 

Рис.3.4. Поперечный размер конструкции

 

Двусторонние печатные платы (ДДП)  без металлизированных контактных и переходных отверстий характеризуются: возможностью обеспечить высокие требования к точности выполнения рисунка; высокими коммутационными свойствами; использованием объемных металлических элементного проводящего рисунка расположенных на противоположных сторонах платы; низкой стоимостью конструкции. Поперечный разрез конструкции приведен на рис.3.5.

 

Рис.3.5. Поперечный разрез конструкции

 

Многослойные печатные платы (Ml 111) с металлизацией сквозных отверстий характеризуются: высокими коммутационными свойствами;

наличием межслойных соединений, осуществляемых с помощью сквозных металлических отверстий, соединяющих только внутренние проводящие слои попарно, обязательным наличием монтажной площадки на любом проводящем слое, имеющем электрическое соединение с переходными отверстиями; предпочтительным выполнением проводящего рисунка наружных слоев по первому или второму классу точности или наличием на наружном слое только контактных площадок сквозных металлизированных отверстий; предпочтительным применением элементной базы со штыревыми выводами; высокой стоимостью конструкции. МПП, изготовленные методом металлизации сквозных отверстий, являются предпочтительными для крупносерийного производства.

MПП попарного прессования характеризуются: наличием межслойных соединений, осуществляемых с помощью металлизированных отверстий, соединяющих проводящие слои попарно; оптимальной четырехслойной конструкцией; предпочтительным применением элементной базы с планарными выводами; относительно высокой стоимостью конструкции.

Ml 111 послойного наращивания характеризуются: наличием межслойных соединений,

осуществляемых с помощью гальванически выращенных медных столбиков диаметром не

менее 0,8 мм; обязательным наличием

контактных площадок на всех проводящих слоях в местах прохождения гальванических столбиков: высокой трудоемкостью изготовления; очень высокой стоимостью конструкции.

Ml 111 с открытыми контактными площадками характеризуются:

отсутствием межслойных соединений, использованием элементной базы как с планарными, так и со штырьевыми выводами, расположением проводников, принадлежащих одной цепи, на одном проводящем слое; обязательным наличием контактных площадок на все выводы навесных элементов независимо от того, задействованы они или нет; наличием расстояния между краем проводника и окном или краем ПП величиной не менее 0,5 мм.

В курсовом и дипломном проекте рекомендуется использование ДПП с учетом следующего.

Выбор типа плат зависит от требований к быстродействию конструируемой РЭА, серийности, сроков проектирования и изготовления. МПП, сохраняя свойства обычных ПП, имеют свои особенности, способствующие все более широкому их применению при миниатюризации электронных устройств:

> более высокая плотность монтажа;

> размещение монтажа в однородной зоне диэлектрической среды, отсюда более высокая устойчивость внутренних слоев к климатическим и механическим воздействиям;

> размещение внутри МПП экранирующих «земляных» слоев значительно улучшает электрические характеристики устройства, а также имеется возможность использования этих слоев в качестве теплоотвода;

> применение Ml 111 позволяет значительно сократить длину соединений между навесными элементами, что имеет важное значение, особенно при работе на высоких частотах;

> однако, принимая решение использовать многослойный печатный монтаж, необходимо   учитывать,   что   МПП   обладают   низкой ремонтопригодностью наряду с высокой стоимостью, сложностью разработки, а их производство влечет за собой ряд технологических сложностей;

> более жесткие допуски на параметры печатного монтажа по сравнению с обычными платами;

> необходимость     применения     специального     прецизионного технологического оборудования;

> длительный и сложный технологический цикл изготовления;

> обязательность тщательного контроля всех операций.

Определение площади печатной  платы   Ориентировочная площадь 1111 определяется по формуле:

 

 

где Ks - коэффициент заполнения ПП ЭРЭ, определяемый в зависимости от класса

РЭА в пределах 0,4. .0,85; Srycm - установочная площадь ЭРЭ (справочные данные).

Выбор габаритных размеров и конфигурации печатной платы

Габаритные размеры ПП должны соответствовать ГОСТ 10317 — 79" при максимальном соотношении сторон 5:1. Рекомендуется разрабатывать ПП простой прямоугольной формы. Конфигурацию, отличной от прямоугольной, следует применять

только в технически обоснованных случаях. Типоразмеры П11 могут быть ограничены типовыми  несущими  конструкциями  высших  структурных  уровней  (блок,  аппарат, стойка). В практической деятельности нужно руководствоваться выбранным вариантом компоновки устройства в целом, а при выборе габаритных размеров следует руководствоваться  линейными  размерами,  установленными  ГОСТ  10317  —  79*  (см. прил.1 в конце главы).

Максимальный размер наибольшей стороны ПП равен 470 мм. Для РЭА специального назначения один размер платы фиксирован и равен 170 мм, а второй изменяется следующим образом:

> для самолетной и морской — 75 мм, 120 мм;

> для стационарной и возимой — 75 мм, 120 мм, 240 мм;

> для ЭВМ серии ЕС и специализированных систем управления применяется единый размер ПП 150 X 140 мм.

Сопрягаемые размеры контура ПП должны иметь предельные отклонения по 12-му квалитету ГОСТ 25347 — 82 (СТ СЭВ 144 — 75). Не/сопрягаемые разделы контура ПП должны иметь по 14-му квалитету ГОСТ 25347 — 82.

Толщина определяется толщиной исходного материала и выбирается в зависимости от используемой элементной базы и действующих механических нагрузок. Предпочтительными значениями номинальных толщин одно- и двусторонних ПП являются 0,8; 1,0; 1,5; 2,0 мм. Допуск на толщину ПП Н„ устанавливают по соответствующим стандартам или ТУ на исходный материал (ГОСТ 23751 — 86).

Оценка размеров ПП по критерию вибропрочности

Оптимизация  конструктивных  параметров  ПП  по   критерию вибропрочности - это обеспечение минимальных нагрузок для навесных элементов и материалов ПП при внешних механических воздействиях. Нагрузки на ПП от внешних механических воздействий определяются коэффициентом передачи вибраций, который есть отношение амплитуд колебаний на выходе и входе системы при фиксированной частоте. Для ПП входом системы являются края платы, закрепленные в рамки ячейки. Выходом колебательной системы является область, наиболее удаленная от краев платы, то есть центр платы. Коэффициент передачи обратно пропорционален жесткости пластины

где D - жесткость ПП, Н/м;

Е - модуль упругости материала. Па;

h - толщина ПП, м;

M  -  коэффициент  Пуассона.  Некоторые  значения  Е  и  M

приведены в табл. 3.1.

Таблица. 3.1

 

Материал

Значение             модуля упругости, ГПа

Коэффициент

Пуассона ц

Стеклотекстолит Гетинакс Алюминиевые сплавы АМГ Сталь низкоуглеродистая

24...35 10...18 65...70 200

0,2   0,47   0,32...0,36

0,4

 

 

Резонансная частота пластины, закрепленной по контуру, определяется '' выражением

(при распределенной нагрузке)

 

где  а,Ъ  -  соответственно  длина  и  ширина  ПП,  м;  m  -  масса  платы  с  навесными элементами, кг; g - ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с2.

Рекомендуется, чтобы резонансная частота ПП fo отличалась от частоты внешних

колебаний fa, по крайней мере, вдвое: fo >= 2fв.

При наличии высоких частот внешней вибрации,   а также полигармонической вибрации избавиться от резонанса сложно — тут нужно искать компромиссное решение.

Выбор или обоснования класса точности

По точности выполнения элементов конструкции ПП делится на пять классов точности. Номинальные значения основных параметров элементов конструкции ПП для узкого места приведены в табл.3.2.

Под элементами конструкции ПП подразумеваются элементы проводящего рисунка.

Таблица 3.2

 

Условное

Обозначение

Класс точности

1

2

3

4

5

T S B J

0,75

0,75

0,30

0,40

0,45

0,45

0,20

0,40

0,25

0,25

0,10

0,33

0,15

0,15

0,05

0,25

0,10

0,10

0,025

0,20

 

Примечание: j - отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы. Печатные платы первого и второго классов точности наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость. ПП третьего, четвертого и пятого  классов  точности  требуют  использования  высококачественных  материалов, инструмента и оборудования, ограничения габаритных размеров, а в отдельных случаях и особых условий при изготовлении.

Выбранный класс точности необходимо проверить на электрические параметры. Предельные рабочие напряжения между проводниками, лежащими в одной плоскости, приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3

 

Расстояние             между проводниками

Значение рабочего напряжения

фольгированный             гетинакс

(ГФ)

фольгированный

Стеклотекстолит (СФ)

ОД.,.0,2            0,2...0,3

0,3...0,4            0,4...0,5

0,5...0,75            0,75...1,5

1,5...2,5

 

 

75 150 250 350 500

25 50 100 200 350 500 650

 

 

Выбор материала печатной платы

Материал   для   ПП   выбирают   по   ГОСТ   23751   —   86   или   ТУ.   Материалы, рекомендуемые для изготовления ПП, приведены в табл. 3.4. Основные параметры наиболее употребительных материалов сведены в табл.3.5.

 

Таблица 3.4

 

Марка материала

Толщина фольги, мкм

Толщина  материала  с фольгой, мм

Область применения

1

2

3

4

ГФ1—35, ГФ2—35

35

1,5; 2,0; 2,5; 3,0 1; 1,5;

2,0; 2,5; 3,0;

Одно-,            двусторонние платы                                   без гальванического соединения                печатного слоя

СФ—1—35, СФ—2—

35

35

0,8; 1,0; 1,5; 2,0;

2,5; 3,0

Одно-,  двусторонние платы с гальваническим соединением слоев

СФ—1—50, СФ—2—

50

50

0,5;  1,0;  1,5;  2,0; 2,5;

3,0;

Тоже

/Окончание таблицы 3.4

 

1

2

3

4

СФ-1Н-50, СФ-

 

2Н-50

 

 

50

0,8; 1,0; 1,5; 2,0;

Тоже

2,5; 3,0;

СФПН-1-50,

 

СФПН-1-50

ФТС-1

ФТС-2

 

 

50

20 35

0,5; 1,0; 1,5; 2,0;

Одно-, двусторонние

 

платы с повышенной нагревостойкостью МПП и гибкие ПП

2,5; 3,0;

0,8; 0,15; 0,18; 0,27;

0,5 0,1; 0,12; 0,19;

0,23; 0,5

ФДМ-1, ФДМ-2

35

0,25; 0,35

Гибкие ПП

СТФ-1-2ЛК

-

1;1,5

Одно-, двусторонние ПП

СТП-3. СТП-0,25

-

0,025; 0,06

Прокладки для МПП

 

 

Таблица 3.5

 

Параметр

Материал основания ПП

ГФ

СФ

ФДМЭ

Предел прочности при растяжении,

кг/см2  не более

80

200

Предельно допустимое напряжение на изгиб, кгс/ см2

800...1400

2300

Плотность, г/ см3

1,3...1,4

1,6... 1,85

Водопоглощаемость, \%, не более

5

3

Удельное электрическое объемное сопротивление, Ом*см

109

1012

109

Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 МГц

0,038...0,045

0,025

0,025

Относительная диэлектрическая проницаемость на частоте 1МГц

7

6

5

Прочность сцепления печатных проводников с основанием платы при отрыве, Н/ мм2, не менее

1Д..2

2...3.5

2,5...4,0

Пробивное напряжение в направлении, перпендикулярном к поверхности платы, кВ/ мм, не менее

20

25

25

Рабочие температуры, °С

-60...+85

-60... +120

-60... +100

 

В бытовой РЭА обычно рекомендуется применять одно- или двусторонний ГФ. Для профессиональной РЭА рекомендуется использовать для жестких плат СФ различных марок, а для гибких ПП специальные фольгированные тонкие диэлектрики и полиамидные пленки.

Выбор вида внешнего соединения печатных плат

На выбор вида внешнего соединения (разъемного или неразъемного) '"влияет ряд факторов:

> выбранный предварительный вариант компоновки (масса, габариты);

> ремонтопригодность (принятая система ремонта и замены);

^ надежность внешних цепей.

Разъемные соединения обладают следующими особенностями:

> масса и габариты соединения могут увеличиваться на 10...20\% по сравнению с неразъемными;

> несколько    падает    надежность    межсоединений    (отношение интенсивностей отказов разъемного и неразъемного контакта составляет около 1...4);

> уменьшается на 15...25\% трудоемкость изготовления межячеечной коммутации.

В то же время использование гибких печатных плат на полиамиде позволяет изготавливать непрерывные ПП, сложенные в рулон, книжку без промежуточного переходного монтажа.

В разъемных конструкциях используются соединители различных типов.