Конструирование печатных плат, печатных узлов и электронных модулей

В конструкции модуля должно быть учтено требование доступности (входит в группу требований эксплуатационной технологичности): модуль, извлечённый из блока, должен легко устанавливаться в удобном для осмотра и ремонта положении на монтажном столе, без повреждения.

Ещё при размещении навесных элементов во время топологических работ должна быть обеспечена контролепригодность конструкции модуля (другое требование эксплуатационной технологичности). Для этого должен быть обеспечен свободный доступ к местам электрического присоединения навесных элементов. В окружении тех ЭРИ, контрольные точки которых не выведены на соединители, должно быть предусмотрено достаточно места, чтобы подключать зажимы приборов к контрольным точкам в непосредственной близости к ИС. Это требование противоречит требованию максимально плотного размещения. Но, как и в других подобных случаях, конструктор должен находить компромисс и определить, какой ценой ему обойдётся повышение контролепригодности и можно ли пренебречь этим требованием ради более высокого коэффициента заполнения объема модуля.

Рис. 5. Клиновая фиксация рамы в блоке.

1 - ПП; 2 - ЭРЭ; 3 - корпус блока; 4 - винт; 5 - клин; 6 - рама.

5. Исходные нормы топологического конструирования печатных плат

Правило двух минимумов. Топологическим конструированием ПП называется разработка рисунка ПП, включая размещение ЭРИ на рабочей площади ПП и трассировку соединений между контактными площадками. Рисунок соединений может разрабатываться по четырём условиям: без пересечёний в один слой (ОПП); с пересечениями в два слоя (ДПП); то же, но с дополнительным проводным монтажом прямыми отрезками изолированного провода (ДППдм); наконец, с пересечёнными в три, четыре слоя, а иногда и более (МПП).

Для определения исходных норм топологического конструирования должны быть рассмотрены три вопроса: 1) правило двух минимумов; 2) нормы при размещении и расчёт числа посадочных мест; 3) нормы при трассировке и библиотека контактных площадок.

Процесс топологического конструирования слагается из размещения и трассировки. При размещении расставляют контакты соединителей по электрической схеме и размещают контрольные гнёзда. При трассировке прокладывают линии соединений (проводники) между контактными площадками в соответствии со схемой электрической принципиальной с учётом геометрических и электрических ограничений. Процесс топологического конструирования является в общем случае процессом постепенного приближения к результату, размещение и трассировка многократно корректируется в поиске наилучшего решения.

Критерием наилучшего решения служит правило двух минимумов: при топологическом конструировании ПП должен быть достигнут минимум пересечений и минимум длины связей. Минимум пересечений означает и минимум переходных отверстий. Это требование обычно имеет приоритет, так как обеспечивает технологичность по минимуму числа слоёв и создаёт важные предпосылки для безотказности.

Минимум длины связей означает максимум связей между соседними элементами и имеет значение для электрических схем в зависимости от быстродействия и частотного диапазона. Правилом двух минимумов следует руководствоваться при топологическом конструировании ПП.

Нормы при размещении и расчёт числа посадочных мест. Несмотря на тесную взаимосвязь и взаимозависимость процедур размещения и трассировки, топологическое конструирование ПП начинается с предварительного размещения ЭРИ как самостоятельной процедуры. Расчёту предельного числа корпусов ИС и МС, размещаемых на ПП, предшествует установление норм компактного размещения. Эти нормы исходят из расстановки ИС, МС и других навесных элементов рядами. Выводы навесных элементов подвергаются формовке - операции придания выводам определённой формы и длины, обеспечивающих при сборке на ПП гарантированное расстояние паяного шва от тела элемента в соответствии с техническими условиями на элемент. Как правило, отформованные выводы выступают за габариты корпуса. Контур площади, занимаемой на ПП навесным элементом, включая контактные площадки под формованные выводы, называют посадочным местом.

Выводы навесных элементов, как правило, выполнены из проволоки круглого (штыревые выводы) или прямоугольного (планарные выводы) сечения. Элементы со штыревыми выводами можно устанавливать только с одной стороны ПП, элементы с планарными выводами можно в принципе устанавливать с обеих сторон ПП, но технологичность и ремонтопригодность печатного узла при двустороннем размещении падают.

Рис. 6. Размещение ИС и корпусных МС на ПП.

1 - посадочное место; 2 - граница зоны размещения; 3 - краевое поле ПП.

Рабочая площадь ПП, или зона расположения посадочных мест на ПП, равна общей площади ПП за вычетом площади краевого поля - свободной полосы вдоль периметра ПП, предусматриваемой для технологических целей, не занимаемой рисунком и навесными элементами. Ширина краевого поля есть расстояние от края ПП до края первого ряда посадочных мест (рис. 3-14). Краевое поле определяется тремя координатами: x - ширина краевого поля оси X (одинакова с левой и с правой стороны ПП); y1 - ширина краевого поля для соединителя по оси Y (у нижней кромки ПП); y2 - ширина краевого поля для размещения контрольных гнёзд у верхней кромки ПП. Ширину краевого поля x с левого и с правого края принимают равной: для штыревых выводов x = 5 мм, для планарных выводов x = 2,5 мм. Ширину краевого поля по оси Y при отсутствии контрольных гнёзд принимают y2 = 2,5 мм, а при наличии их y2 = 12,5 мм. Размер краевого поля y1 находят из таблицы 3-3 в зависимости от типа выбранного соединителя.

Номенклатура соединителей расширяется, в настоящее время она включает в себя три типа: ГРПМ, РППМ и СНП. Каждый тип соединителя состоит из вилки и розетки, причём на УП устанавливается, как правило, вилка. Соединитель СНП34 устанавливается на УП своей розеткой. При выборе соединителя имеет значение, под какую пайку на УП они предназначены: внахлёст или в отверстия.

Таблица 3 - Размеры краевого поля y1 для различных соединителей

* Гарантируется динамическая стабильность контактных сопротивлений при вибрации.

Расчёт числа посадочных мест производят по формулам (см. рис. 3-14):

n = nx ny; (3-2)

nx = ; (3-3)

ny = . (3-4)

Здесь n - число посадочных мест при одностороннем размещении; nx - число посадочных мест в одном ряду (округляется до целого числа в сторону уменьшения); ny - число посадочных мест (округляется до целого числа в сторону уменьшения); Lx, Ly - размеры ПП по осям X и Y; lx, ly - размеры посадочного места по осям X и Y (табл. 3-4); tx, ty - шаг установки по осям X и Y; x - ширина краевого поля по X; y1, y2 - ширина краевого поля для соединителей и контрольных гнёзд.

В табл. 3-4 типоразмеры корпусов ИС и микросборок обозначены согласно ГОСТ 17467-79 семью цифрами, из которых первые четыре - шифр типоразмера; затем следует точка и две цифры, обозначающие число выводов, а после дефиса - порядковый номер регистрации модели.

Пример расчёта максимального возможного числа посадочных мест на ПП.

Дано: установка элементов на ПП - односторонняя; толщина ПП составляет 1,5 мм; контрольных гнёзд нет. Габаритные размеры ПП Lx Ly = 170 200 мм; соединение ПП с блоком производится с помощью соединителя РППМ26 на 72 контакта (РППМ26-72Ш); установке подлежат ИС в корпусе 401.14-3.

Из табл. 3-4 находим размеры посадочного места lx = 9,8 мм и ly = 13,0 мм и шаг установки tx = 15,0 мм и ty = 17,5 мм.

Принимаем x = 5 мм и y2 = 2,5 мм. Из табл. 3-3 для РППМ26 находим y1 = 17,5 мм.

Определяем число посадочных мест в одном ряду по формуле (3-2):

nx = ;

Число рядов посадочных мест по формуле (3-3):

ny = (округляем в сторону уменьшения).

Общее число посадочных мест n1 = 11* 10 = 110.

Если при креплении ПП в раме применяют дополнительные элементы крепления, которые попадают в зону расположения посадочных мест, то соответственно уменьшают число посадочных мест. Например, при четырёх дополнительных элементах крепление получаем:

n1 = 110 - 4 = 106.

Нормы при трассировке и библиотека контактных площадок. Рисунок соединений состоит из графических элементов - проводников и контактных площадок. Его выполняют на поле чертежа, где показаны границы рабочей площади ПП и нанесена, декартова координатная сетка с основным шагом 2,5 мм и дополнительным шагом 0,5 мм. Координатной сеткой называют совокупность тонких сплошных линий на чертеже, соответствующих определённым значениям координат в прямоугольной (или, очень редко, в полярной) системе. Шагом координатной сетки называется расстояние между соседними линиями сетки, а узлом - точка пересечения линий.

Нормы при выборе элементов рисунка основаны на требовании максимальной компактности с сохранением технологичности. Графические элементы представляют собой полоски проводникового материала различной ширины, длины, формы, ориентации и контактные площадки с отверстиями или без них. Полоски играют роль соединительных проводников, шин питания, земли, экранов. Проводник условно изображают одной линией,

совмещаемой с линией координатной сетки (основной или вспомогательной). Предполагается, что проводник размещается на линии координатной сетки по своей оси симметрии. Рядом с линией на поле чертежа указывают ширину. Если проводник имеет вид ломаной линии, то точки перегиба совмещают с узлами координатной сетки. Экран, если он предусмотрен в рисунке, должен занимать на ПП максимальную возможную площадь.

Как правило, все чертежи, выпускаемые данным конструкторским подразделением, должны быть типовыми, с минимальным числом разных типов. Одиночные чертежи должны быть исключением, требующим специального обоснования. Действительно, рисунки ПП одного типоразмера имеют между собой много общего: контактные площадки под соединитель, шины питания, землю и т.д.

Топологию рисунка для ДПП и МПП необходимо строить таким образом, чтобы снижать паразитные электрические параметры: шины питания и заземления располагать со стороны установки, а сигнальные цепи - с обратной стороны, причём проводниковые полосы на разных сторонах ПП предпочтительно ориентировать перпендикулярно друг другу.

Паразитные электрические параметры проявляются:

как паразитная ёмкость между рядом лежащими проводниками и между проводником и экранным слоем,

как взаимная индуктивность их,

как индуктивность шин питания,

как разброс волнового сопротивления линии передачи внутрисхемных соединений (разброс проявляется для полос длиннее 100 мм).

Расчёты паразитных ёмкостных и индуктивных параметров рисунка тривиальны. Они основаны на расчёте ёмкости плоского (для ёмкости между слоями) или гребенчатого (для ёмкости между соседними проводниками в одном слое) конденсатора. Диэлектрическую проницаемость принимают . С достаточной точностью можно считать погонную ёмкость между слоями МПП равной 0,2 пФ/мм при ширине проводника 0,4 мм, а погонную индуктивность - равной 1,7 нГн/мм при той же ширине.

Необходимо выбирать минимальные длины проводников, увеличение расстояния между проводниками. ИС повышенной степени интеграции (ИС3 и ИС4) следует размещать непосредственно у контактов соединителей. Неиспользованные контакты следует соединять с шиной заземления и располагать между сигнальными выводами. Индуктивность шин питания снижают путём увеличения их ширины до 5 мм.

При конструировании рисунка ПП для высокочастотных ИС соединения между ними осуществляют в виде согласованных полосковых линий, содержащих пары сигнальных и земляных проводников.

Для быстродействующих цифровых ИС необходимо учитывать время распространения сигнала по печатному проводнику tз.=. Для типичного случая имеем: t=0,4 мм; s=1 мм и ; при этом L=1,7 нГн/мм; C=0,02 пФ/мм; tз=14 * 10-3 нс./мм.

Навесные элементы имеют планарные (ленточные, прямоугольного сечения) выводы или проволочные (штыревые) выводы из круглой проволоки диаметром 0,3; 0,4 и 0,6 мм под которые должны быть предусмотрены металлизированные отверстия. Диаметр отверстия выбирают из расчёта получения зазора между выводом и стенкой отверстия 0,1 мм, необходимого для капиллярного проникновения припоя во время пайки, которое повышает прочность соединения. Отверстия, предназначенные для пайки в них вывода, называют монтажными в отличие от крепёжных отверстий, используемых только для механического крепления.

Наряду с навесными элементами допускается применять навесные перемычки в количестве до 5% общего числа соединений на ПП. Перемычка представляет собой отрезок изолированного провода, обеспечивающий электрическое соединение между двумя контактными площадками на одной стороне ПП.

В ДПП и МПП при разработке рисунка появляются дополнительные требования: обеспечить точность совмещения рисунков различных слоёв в области сквозных отверстий (рис. 3-22).

Рис. 7. Допустимая погрешность совмещения рисунков ПП для круглых (а) и прямоугольных (б) контактных площадок. Dк.п. - диаметр или малая сторона прямоугольника контактной площадки, мм; d0 - диаметр отверстия в ПП, мм; x - гарантийный поясок, мм; - погрешность совмещения, мм.

При составлении рисунка ПП необходимо пользоваться библиотекой контактных площадок стандартной формы (табл. 3-5). Стандартизованы как одиночные контактные площадки, так и контактные группы. Контактной группой называется несколько регулярно расположенных контактных площадок, предназначенных для многовыводного элемента. Предусмотрены варианты ориентации площадок и групп. Установлена система условных изображений и кодирования диаметров отверстий, что позволяет не проставлять диаметры на чертеже.

6. Снижение трудоёмкости топологических работ с использованием системы автоматизированного проектирования и темплетного моделирования

Применение системы автоматизированного проектирования для сложной топологии. Топологическое конструирование является одним из наиболее трудоёмких процессов, выполняемых конструктором при разработке конструкции РЭА. Трудоёмкость вызвана лабиринтным характером поиска решения, необходимостью держать в памяти большой объём данных. Снижение трудоёмкости возможно, в зависимости от сложности топологии, двумя путями: 1) применением системы автоматизированного проектирования для сложной топологии; 2) применением темплетного моделирования для средней и простой топологии.

Сложность топологических работ можно ориентировочно оценить заранее по числу ИС, размещаемых на одной плате при условии плотной компоновки: до 30 ИС - простая топология, от 30 до 60 - средняя, свыше 60 - сложная. Сложная топология вручную, без привлечения ЭВМ, практически невыполнима. Привлечение ЭВМ к топологическим работам осуществляется в рамках САПР - системы автоматизированного проектирования. Как известно, САПР является организационно-технической системой, состоящей из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с центральным вычислительным центром предприятия и включающего в себя, как правило, локальные системы типа автоматизированного рабочего места (АРМ). Допускается включение в САПР и других дополнительных технических средств, если это экономически и технически оправданно. Здесь работа конструктора с САПР будет рассмотрена с позиции трудоёмкости топологических работ.

Следует подчеркнуть, что снижение трудоёмкости обычно сопровождается отходом от оптимальности решения. Формализация топологической задачи, необходимая для привлечения ЭВМ к работе, затруднена переменной значимостью принимаемых ограничений в зависимости от конкретных условий топологии. Это приводит к принятию допущений, отдаляющих решение от оптимального. Приближение к оптимуму требует дополнительного поиска в рамках новых ограничений, что повышает трудоёмкость и требует дополнительного машинного времени.

Ограничения, вводимые в программу, связаны, в первую очередь, с правилом двух минимумов (например, минимум пересечений и минимум длины связей). Одновременно налагаются технологические ограничения, скажем требование равномерного распределения плотности рисунка по слоям. Автоматизированное проектирование топологии ПП осуществляется на основе исходных данных: схемы электрической принципиальной (Э3) и базового чертежа ПП. Формализованное задание (включает в себя описание Э3, список цепей и номер типоразмера ПП) составляют на основе инструкций, относящихся к действующему на данном предприятии комплексу программ проектирования ПП. При этом учитывается, что чертёж ПП имеет значительную постоянную часть: контур ПП, шины питания, контактные площадки под соединители, а также под выводы элементов в слоях, налагаемых друг на друга. Постоянная часть выполнена в соответствии с базовым чертежом и записана в архив САПР (или АРМ); соответствующие ей перфоленты передаются на участок изготовления оригиналов рисунков слоёв ПП.

Формализованное задание передают на централизованную набивку на перфокарты, проверяют и передают в вычислительный центр на проектирование топологии. Для этого используют комплекс программ и алгоритмов, обеспечивающих размещение элементов, трассировку соединений, подготовку управляющих перфолент для выпуска оригиналов рисунков слоёв ПП, для сверления отверстий в ПП на станках с ЧПУ, а также для выпуска КД. В алгоритмы программного комплекса заложено требование соблюдения допусков на все элементы печатного рисунка

Размещено на Allbest.ru