Разработка конструкции ПП. Предварительный расчет надежности

Конструкторско-технологическое проектирование печатной платы будем производить в порядке, описанном в [1]:

• 1) Для какого уровня модульности конструкции проектируется и изготавливается ПП:
  • · Для микросборки (МСБ) — 0-уровень.
  • · Для ячейки -1-й.
  • · Для объединительной платы (кросс-платы) — 2-й уровень модульности.
• 2) Принимается решение, какую конструкцию ЭА использовать: унифицированную или оригинальную.
• 3) Определяются требования, предъявляемые к ЭА данной группы.

Различают три класса ЭА по объекту установки: наземная, бортовая и морская.

Класс наземной ЭА состоит из: стационарной, возимой, бытовой ЭА.

Основными требованиями к бытовой ЭА являются: повышение технологичности конструкции с целью снижения стоимости, снижение габаритов и массы, модульный принцип конструирования, простота эксплуатации, массовый характер производства [1].

Печатные платы должны обеспечивать работоспособность при воздействии на них климатических условий одной из групп жесткости (таблица 1).

В зависимости от условий эксплуатации определяют по ГОСТ 23 752–79 группу жесткости, которая предъявляет соответствующие требования к ПП, к материалу основания и необходимости применения дополнительной защиты.

Допустимые значения воздействующих факторов по группам жесткости.

4) Определяются дестабилизирующие факторы, которые влияют на ЭА данной группы, способы защиты.

При анализе условий эксплуатации ЭА и влияния дестабилизирующих факторов определяют:

• · какие дестабилизирующие факторы влияют на ЭА данной группы;
• · какие деградационные процессы в ПП они вызывают;
• · какие нужно применять способы защиты ПП от этого влияния.

Влияние дестабилизирующих факторов на ПП.

Продолжение таблицы 2.

5) Определяется, каким образом степень конструкторской сложности ФУ влияет на конструкцию ПП и технологию ее изготовления.

Конструкторская сложность ФУ оценивают числом активных элементов, числом выводов ПМК и связывают с выбором типа, конструкции и класса точности ПП.

При незначительной конструкторской сложности (от 8 до 12 ИМС) применяются двусторонние печатные платы (ДПП), при средней (30−60 ИМС) — ДПП или многослойные печатные платы (МПП), при высокой (свыше 50 ИМС) — МПП, т.к. увеличивается число внутрисхемных связей, а применение МПП повышает надежность ЭА, сокращая число разъемных соединений [1].

• 6) Определяются параметры ФУ, определяющие конструкцию ПП (быстродействие, рассеиваемая мощность, частота и др.).
• 7) Определяются электрорадиоизделия, которые применяются в данном ФУ: корпусные со штыревым или планарными выводами, бескорпусные, поверхностно-монтируемые компоненты (ПМК).
• 8) Определяется, какое конструктивно-технологическое решение и компоновочную структуру ячейки необходимо выбрать при монтаже данного ФУ.

Конструкция, масса, габариты ЭА, а также ячейки и ПП определяются типом используемой элементной базы и способа ее монтажа.

Возможны следующие конструктивно-технологические направления монтажа ячеек ЭА (таблица 3):

• · Монтаж электрорадиоэлементов и корпусных ИМС — 1 и 2 варианты.
• · Монтаж бескорпусных ИМС, больших интегральных схем (БИС)/сверхбольших интегральных схем (СБИС), микросборок на МПП — варианты 4, 5, 6, 7.
• · Поверхностный монтаж — варианты 3 и8.
• · Смешанный монтаж — варианты 9, 10.

Линейные графические модели компоновочных структур ячеек.

Основные типы сборок:

• · Тип 1 — ЭРИ установлены на верхнюю сторону ПП (сторона А).
• · Тип 2 — ЭРИ установлены на обе стороны ПП (стороны, А и В).

Для каждого типа сборки существует несколько классов.

Основные классы:

• — класс, А — ЭРИ монтируемого в отверстия;
• — класс В-монтируются ПМК;
• — класс С — смешанная сборка (монтируются ЭРИ в отверстия и ПМК).

Каждому типу сборок соответствует своя последовательность сборочно-монтажных операций:

• · Тип 1А — Монтаж ЭРИ в отверстия, ЭРИ на стороне, А ПП.
• · Тип 1В — монтаж на поверхность, ПМК только на стороне А.
• · Тип 2В — монтаж на поверхность, ПМК с обеих сторон, А и В.
• · Тип 1С — смешанный монтаж, ЭРИ в отверстия и ПМК на стороне А.
• 9) Определяется конструкция ПП.

Односторонняя печатная плата — ПП, на одной стороне которой выполнены элементы проводящего рисунка.

Двусторонняя печатная плата — ПП, на обеих сторонах которой выполнены элементы проводящего рисунка и все требуемые соединения, в соответствии с принципиальной схемой. Электрическая связь посредством металлизированных отверстий. ЭРИ размещают как на одной стороне, так и на обеих сторонах.

Многослойная печатная плата — ПП, состоящая из чередующихся слоев изоляции с проводящими рисунками на двух и более слоях. Электрическая связь между слоями выполняется спец. объемными деталями, печатными элементами или химико-гальваническими отверстиями [1].

При выборе типа конструкции ПП учитывают:

• · Тип элементной базы.
• · Вариант компоновочной структуры ячейки.
• · Возможность выполнения всех коммутационных соединений.

Основные типы печатных плат представлены на рисунке.

Типы печатных плат.

a — односторонняя печатная плата; b-двусторонняя печатная плата; c-многослойная печатная плата.

10) Определяется форма монтажных отверстий.

Монтажные отверстия — отверстия для установки электрорадиоизделий.

Переходные отверстия — отверстия для электрической связи между слоями или сторонами ПП. Различают:

• · сквозные металлизированные отверстия, обеспечивающие электрическую связь между сторонами ПП и внутренними слоями МПП;
• · сквозные металлизированные (скрытые или межслойные переходы) отверстия, обеспечивающие контакт между внутренними слоями;
• · несквозные отверстия, создающие контакт между наружным и одним из внутренних слоев;
• · несквозные микропереходные отверстия.
• 11) Определяется форма контактных площадок (КП).

Размер и форма контактных площадок в наружных, внутренних сигнальных слоях и в слоях земли и питания может быть различной (круглая, прямоугольная, квадратная и др.). Форма контактных площадок в наружных слоях определяется:

• · формой выводов ЭРИ (круглое или прямоугольное сечение выводов, шариковые выводы, безвыводные компоненты);
• · элементной базой (традиционные или поверхностно-монтируемые компоненты);
• · характером расположения выводов (радиально-перпендикулярно плоскости монтажа, аксиально-параллельно плоскости монтажа);
• · жесткостью выводов;
• · способом соединения выводов электрорадиоэлементов с контактными площадками (в отверстия пайкой, внахлест к контактным площадкам пайкой или сваркой);
• · метод изготовления ПП.
• 12) Определяется шаг координатной сетки.

Координатная сетка — ортогональная сетка, определяющая места расположения соединений ЭРИ с ПП.

Шаг координатной сетки — расстояние между двумя соседними параллельными линиями координатной сетки [1].

• 13) Определяются ЭРИ, которые рассеивают значительную мощность.
• 14) Определяется тип конструкции ПП.
• 15) Определяется класс точности ПП.

ГОСТ 23 751–86 устанавливает пять классов точности выполнения элементов конструкции ПП (таблица 4).

Основными критериями при выборе класса точности ПП являются:

• · Конструкторская сложность ФУ.
• · Элементная база.
• · Тип, число, шаг выводов электрорадиоизделий.
• · Быстродействие.
• · Надежность.
• · Максимальные ток и напряжение.

Область применения и технологическое обоснование классов точности ПП.

печатный жесткость технологический плата Классы точности ПП, характеризуются номинальными значениями основных параметров (таблица):

• · минимальным допустимым значением номинальной ширины проводника (t);
• · расстоянием между проводниками (S);
• · расстоянием от края просверленного отверстия до края контактной площадки, ширины контактной площадки (b);
• · отношением диаметра отверстия к толщине ПП (г);
• · допусками на ширину печатного проводника, контактной площадки, концевого печатного контакта (t);

· взаимное расположение соседних элементов проводящего рисунка ().

Наименьшие номинальные значения основных параметров для классов точности ПП.

16) Определяется метод изготовления ПП.

Выбрав тип конструкции и класс точности ПП, зная элементную базу и конструкторскую сложность, определяют по таблице 6 метод изготовления ПП [1].

Обобщенные характеристики ПП и методы ее изготовления.

• 17) Определяется конструкция печатных проводников.
• 18) Определяются габаритные размеры ПП.
• 19) Выбирается материал основания ПП.

При выборе материала основания ПП особого внимания требуют:

• * Предполагаемое механическое воздействие (вибрации, удары, линейные ускорения);
• * класс точности ПП (ширина проводников, расстояние между проводниками);
• * реализуемые печатным узлом электрические функции.

Чаще используют фольгированные материалы с толщиной фольги 35 и 50 мкм [1].

• 20) Рассчитываются элементы проводящего рисунка ПП:
  • · Определить диаметр монтажных отверстий.
  • · Расстояние от края ПП до элементов печатного рисунка.
  • · Расстояние от края паза, выреза, неметализированного отверстия до элементов печатного рисунка.
  • · Ширину печатных проводников.
  • · Диаметр контактных площадок.
  • · Наименьший номинальный диаметр контактных площадок для узкого места.
  • · Расстояние между соседними элементами проводящего рисунка.
  • · Наименьшее номинальное расстояние между центрами двух неметаллизированных отверстий.
  • · Наименьшее номинальное расстояние для прокладки n-го количества проводников между двумя отверстиями с контактными площадками.
• 21) Производится предварительный расчет надежности.