Проектирование печатных плат


Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

НАЗВАНИЕ ДОКУМЕНТА


ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

Разработать конструкцию  и технологический процесс изготовления ПП для следующих исходных данных:

    1. Группа ЭА – бытовая.
    2. Группа жесткости при климатических воздействиях – 2.
    3. Механические воздействия:

а) частота вибраций: 10-50 Гц;

б) виброускорение: 2 g.

4. Конструктивная сложность  ФУ: малая.

5. Электрические параметры:

а) допустимое падение напряжения: 0,2 В;

б) максимально допустимый ток: 180 мА;

6. Способ закрепления  ячейки в модулях более высокого  конструктивного уровня: 2.

 

                                 

 

Рисунок 1 – Способ закрепления  ячейки в модулях более высокого конструктивного уровня

 

7. Количество ИМС: 21.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

НАЗВАНИЕ ДОКУМЕНТА


ВВЕДЕНИЕ

 

Печатные платы являются основным элементом электронной  аппаратуры (ЭА), выполняя функции несущей  конструкции и коммутационного  устройства на различных уровнях  разукрупнения аппаратуры: в микросборках, в ячейках, в коммутационных (монтажных) панелях. Печатные платы широко применяются в бытовой технике, аппаратуре средств связи, в вычислительной технике, в системах автоматизации, контрольно-измерительной аппаратуре, в медицинском приборостроении, в автомобильной промышленности, в других областях промышленной электроники, в авиационной и космической промышленности, в спецтехнике, в городском коммунальном хозяйстве (для средств контроля расхода воды, газа, электричества, топлива, экологического контроля воды, воздуха, земли по радиационным, физическим, механическим и химическим параметрам).

Одной из проблем в настоящее  время является разработка и производство ПП, соответствующих современному мировому уровню для обеспечения конкурентоспособности  ПП, которая определяется их качеством, надежностью и безопасностью  их эксплуатации. Проблема осложняется  постоянным ростом функциональной и  конструктивной сложности электрорадиоизделий, устанавливаемых на ПП, а также процессом миниатюризации ЭА, отставанием технологических возможностей межэлементной коммутации, в частности, ПП от уровня интеграции ЭРИ, что требует повышения трассировочных возможностей ПП за счет повышения плотности монтажа, уменьшения ширины печатных проводников и расстояний между ними, увеличения числа слоев многослойных печатных плат (МПП),уменьшения габаритов и массы ЭА и, соответственно, ПП. Таким образом, конструкция и технология сборки электронных модулей на ПП требует от производителя ПП постоянного совершенствования конструкции и технологии.

В данном курсовом проекте  приведена последовательность конструкторско-технологического проектирования ПП с подробным рассмотрением  каждого этапа.

 

 

 

  1. ИЗУЧЕНИЕ И НАЗНАЧЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ


1. Печатная плата будет разрабатываться для 1-го уровня Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

НАЗВАНИЕ ДОКУМЕНТА


модульности: ячейки.

2. Конструкция ячейки  не унифицирована. Разрабатывается  оригинальная конструкция ПП.

3. Требования к бытовой  аппаратуре:

Повышение технологичности  конструкции с целью снижения стоимости, снижения габаритов и  массы, модульный принцип конструирования, простота эксплуатации массовый характер производства.

Для 2-й группы жесткости  при климатических воздействиях допустимые значения воздействующих факторов следующие:

а) температура, оК: верхняя 358, нижняя 233;

б) относительная влажность  воздуха, %: 98 (при температуре до 308 оК);

в) перепад температур, оК: от 233 до 358;

г) атмосферное давление, Па: 53600.

4. Анализ внешних воздействий, деградационных процессов, которые могут иметь место в ПП в бытовых ЭА, их последствий и способов борьбы с ними представлены в таблице 1.

 

Воздействующий  фактор

Ускоряемые  деградационные процессы

Способы предотвращения влияния воздействующих факторов на этапе конструирования  и производства ПП

Низкая  температура

Уменьшение  электропроводности, нагрузочной способности  проводников по току, ухудшение диэлектрических  свойств

а) увеличение ширины и толщины проводников 

б) применение материалов устойчивых к низким температурам

Высокая относительная влажность

Адсорбция и сорбция паров воды материалов ПП – увеличение тангенса угла диэлектрических  потерь, токов утечки по поверхности, снижение поверхностного сопротивления, электрической прочности, сопротивления  изоляции, а так же набухания материала  ПП, уменьшение адгезии проводников  к диэлектрику; коррозия проводников  и металлизированных отверстий; повреждение лакокрасочных покрытий

а) выбор  влагостойких (характеризуются степенью гигроскопичности) и влагостойкости материалов ПП;

б) применение защитных лакокрасочных  покрытий;

в)  герметизация ячеек.





Таблица 1 – Влияние  дестабилизирующих факторов

 


ПродолжениИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

НАЗВАНИЕ ДОКУМЕНТА


е таблицы 1 – Влияние дестабилизирующих факторов


 

Воздействующий фактор

Ускоряемые деградационные процессы

Способы предотвращения влияния воздействующих факторов на этапе конструирования  и производства ПП

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вибрация 

 

 

 

 

 

Механические напряжения, способствующие появлению деформации или потере механической прочности ПП, усталостных  изменений ПП, разрушение электрических  контактов.

1.Отстройка ППот резонанса для выхода низшего значения собственной частоты  f0 из спектра частот внешних воздействий:

а) путем выбора длины, ширины и  толщины ПП;

б) изменением суммарной массы, установленных на ПП ЭРИ;

в) выбором материала основания  ПП;

г) выбором способа закрепления  сторон ПП в модулях более высокого конструктивного уровня;

2. Повышение механической прочности  и жесткости ПП:

а) приклеиванием ЭРИ к установочным поверхностям ПП;

б) покрытие лаком ПП вместе с ЭРИ;

в) заливкой компаундами;

г) увеличение площади опорных поверхностей;

д) использование материалов с высокими демпфирующими свойствами;

е) использование демпфирующих покрытий;

ж) ребрами жесткости, амортизацией и др.

 

 

 

 

 

 

 

Высокая температура

Расширение, размягчеие, обезгаживание, деформация ПП

а) применение нагревостойких материалов;

б) выбор минимальных размеров ПП;

в) выбор материалов ПП с близким ТКЛР в продольном и поперечном направлениях и с медью.

Уменьшение электропроводности, нагрузочной  способности проводников по току, ухудшение диэлектрических свойств.

 

а) увеличение ширины и толщины  проводников (при выборе ориентироваться  на 1, 2 и 3-й класс точности);

б) применение материалов с низкими  диэлектрическими потерями

Перегрев концевых контактов ПП, увеличение их переходного сопротивления

  Выбор гальванического покрытия  со стабильным переходным сопротивлением  при нагреве. 

Высыхание и растрескивание защитных покрытий

Выбор покрытия, устойчивого к высокой  температуре




Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

НАЗВАНИЕ ДОКУМЕНТА


5. Малая конструкторская  сложность ФУ (21 устанавливаемых  ИМС на ПП) требует не значительной  трассировочной способности ПП, применения МПП  и соответствующих  технологических процессов ее  изготовления.

6. В данном варианте  следующие параметры ФУ, влияющего на конструкцию ПП:

а) допустимое падение напряжения: 0,2 В;

б) максимально допустимый ток: 180 мА;

7. В данном ФУ применяются корпусные ИМС.

 Количество ИМС: 21 штука (количество выводов 446).

8. Поскольку элементная база представлена корпусными ИМС (2-й тип корпуса – DIP) с выводами, устанавливаемыми на поверхность, то в качестве конструктивно-технологического направления выбираем монтаж корпусных ИМС и ЭРЭ на ПП (1-й вариант компоновки ячейки. Тип  сборки - 1А: односторонняя установка ЭРИ на поверхность).

9. Выбираем тип ПП –  МПП. Компоновочная структура  ячейки (корпусные ИМС на МПП)  представлена на рисунке 2.

 

 

                              

 

Рисунок 2 - Компоновочная  структура ячейки: 1 – плата; 2 –  кристалл ИМС; 3 – корпус ИМС

 

10. Выводы ИМС впаиваются  в прямоугольные площадки.

11. Форма контактных площадок  – прямоугольная.

12. Шаг координатной сетки  0,5 мм, так как  шаг расположения  выводов ИМС равен 0,5 мм.

13. ИМС рассеивают незначительную  мощность поэтому нет необходимости вводить в конструкцию ПП или ФУ теплоотводы.

14. Тип конструкции ПП  – МПП.

15. Поскольку на ПП устанавливаются  21 ИМС (малая конструкторская  сложность) с выводами, впаиваемыми  на поверхность, выбираем 4 класс  точности;

Номинальные значения параметров:

- номинальная ширина проводника  t = 0,15мм;

- номинальное расстояние  между проводниками S = 0,15 мм;

- минимально допустимая  ширина контактной площадки b = 0,05мм;

- отношение диаметра отверстия  к толщине   = 0,25 мм;

- предельное отклонение  ширины печатного проводника  ∆t = ± 0,05;

- позиционный допуск расположения  печатных проводников T = 0,03мм.

16. Учитывая тип конструкции  и выбранный класс точности  ПП, выбираем метод изготовления  МПП – метод металлизации сквозных  отверстий (ММСО).

17. Конструкция печатного  проводника при изготовлении  ОПП химическим негативным методом  на рисунке 3.

Рисунок 3 - Конструкция печатного  проводника: 1 – медная фольга; 2 –химическая  медь; 3- гальваническая медь; 4 – металлорезист.

 

18. Выбираем материал основания  МПП – СОНФ – 2 – 35

19. Выбор габаритных размеров  ПП.

а) Выбор типоразмера ПП.

площадь ПП определяют по формуле:

 

 

                          (1)

 

 

где kSΣ= 1-3 коэффициент, зависящий от назначения и условий эксплуатации аппаратуры.

Установочная площадь, исходя из технического задания, нам неизвестна, тогда выполним расчеты для каждого  элемента в частности.

    1. SQFP 24x24-184

S = 5 * (26,8*26,8) =  3591,2  мм2

    1. SQFP 14x20-120

S = 1,8 * 24 = 43,2 мм2

    1. 201.14-8

S = (18 * 10) * 3 = 540 мм2

    1. PBGA – 169


S =Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

НАЗВАНИЕ ДОКУМЕНТА


 (23,20 * 23,20) * 2 = 1076,48 мм2

    1. 0402 резистор

S = (1,5 * 0,6) * 4 = 3,6 мм2

    1. 1206 конденсатор

S = (4 * 1,6) * 6 = 38,4 мм2

    1. USBA-2J

S = 13 * 5,7 =  74,1 мм2 

    1. PLS-20

S = 2 *14 = 28 мм2 

    1. PBD2-30

S = 40 мм2  

    1. CWF – 20

S = 5,7 * 17,5 = 99,75 мм2 

    1. DB – 25F

S = 14,3 * 12,4 = 177,32 мм2 

Путем сложения всех площадей элементной базы получим значение общей  площади:

Sобщ =  5672,05 мм2 


Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

НАЗВАНИЕ ДОКУМЕНТА


 

Принимаем kSΣ = 2; SΣ – установочная площадь ИМС; n – количество ИМС

 

SΣ = 2 * 5672,05 * 25 = 283602,5 мм2

 

По ГОСТ 10317-79 подбираем  ширину и длину ПП. Принимаем:  ширина ПП  = 200 мм; длина ПП = 360 мм.

б) Определение длины электрических связей МПП.

суммарную длину связей определяют по формуле:

 

                                                       (2)

 

где β - коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние ширины и  шага проводников, эффективности   трассировки,   формы   корпуса  ИМС и монтажного поля;

Lx и Ly – габаритные размеры ОПП;

nвыв- количество задействованных выводов ИМС;

Nм- количество ИМС, устанавливаемых на ПП;

Lx = 0,2м; Ly = 0,36м;

nвыв = 446; Nм = 21

Тогда

 

           LСВ= 0,06(0,2 + 0,36) 446 * 21 = 314 мм                                 (3)

 

Количество логических или  сигнальных слоев определяется по формуле:

 

(4)



 

где ln – шаг координатной сетки, или шаг трассировки, равный ln /k

Тогда

nлог = 13

Число экранных слоев

nэ = 13-1 = 12

Общее число слоев МПП

nсл = 27

 

в)Толщину МПП выбираем Нп= 18,6 мм. Предельные отклонения на суммарную толщину МПП составляют +0,65 мм.

20. Расчет элементов проводящего рисунка.

а) Так как применяем  метод монтажа на поверхность  ПП, расчет отверстий не требуется.

б) Расстояние Q от края ПП до элементов печатного рисунка  должно быть не менее толщины ПП с учетом допусков на размеры сторон. Примем Q = 13 мм.

в) Расстояние Q2 от края паза, выреза, неметаллизированного отверстия до элементов печатного рисунка определяют по формуле:

 

Q2=q+k+1/22()1/2,

 

где q=0,8 мм - ширина ореола, скола;

k = 0,15мм - наименьше расстояние от ореола, скола до соседнего элемента проводящего рисунка;

TD = 0,15мм - позиционный допуск расположения центров КП;

Td = 0,08мм - позиционный допуск расположения осей отверстий;

tв.о. = 0,05мм - верхнее предельное отклонение размеров элементов конструкции, например ширины печатного проводника.

 

Q2= 0.8 + 0.15 + ½(0.15(0.15) + 0.08(0.08) + 0.05(0.05))*1/2

= 0.95 + ½ * (0,0225 + 0,0064 + 0,0025) *1/2 = 0.95 + ½ * (0,0314) *1/2  = 0.95 + ½ * 0.177 = 1 мм

 

г) Расчет ширины печатных проводников.

Наименьшее номинальное  значение номинальное значение ширины печатного проводника определяют по формуле:

 

t = tmin D+|∆tН.О.|,

 

где t - минимально допустимая ширина проводника, мм;

|∆tН.О.| = 0,05 - нижнее предельное отклонение размеров ширины печатного проводника.

Минимально допустимую ширину проводника определяют по формуле:

 

 

tmin D=

 

Здесь hi и i - толщина и удельное сопротивление слоя проводника;

l - максимально допустимая длинна проводника. Примем l = 30мм;

Imax= 100мА = 0,1А;


Uдоп= 0,2 В.Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

НАЗВАНИЕ ДОКУМЕНТА


 

Для ММСО толщина слоев  и удельное сопротивление:

- медная фольга h1= 18 мкм, p1= 1,72 * 10-5 Ом*мм


- гальваническая меИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

НАЗВАНИЕ ДОКУМЕНТА


дь h2= 25 мкм, p2= 1,9 * 10-5 Ом*мм 

- сплав олово-свинец h3= 15 мкм, p3= 1,2 * 10-5 Ом*мм 

Подставляя получаем

 

tmin D = = 0,14 мм.

 

Тогда наименьшее номинальное  значение ширины печатного проводника:

 

t = 0,14+0,05= 0,145мм.

 

е)расчет расстояния между элементами проводящего рисунка:

Наименьшее номинальное расстояние между элементами проводящего рисунка (между двумя проводниками) S определяют по формуле:

 

S= Smin D+∆tв.о.+Тl/2,

 

где Тl = 0,08 мм - позиционный допуск расположения печатных проводников;

∆tв.о = 0,05мм - верхнее предельное отклонение ширины проводника;

Smin D= 0,15мм минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка.

Тогда 

 

S= 0,15 0+0,05+0,08/2 = 0,22 мм

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В ходе выполнения курсового  проекта были изучены исходные данные, проведены конструкторско-технические  расчеты, которые используются в  САПР ПП, оформлена конструкторская  документация на ПП.

Была разработана оригинальная конструкция ПП для бытовой аппаратуры малой конструктивной сложности, второго  класса точности. Были выбраны требования и дестабилизирующие факторы  к данной группе, выбраны материалы  основания  и габаритные размеры  печатной платы, рассчитаны элементы проводящего  рисунка.

Выбрана последовательность основных операций технологического процесса изготовления, вычерчены эскизы печатного проводника в разрезе с указанием слоев, их толщины и способов получения.


Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

НАЗВАНИЕ ДОКУМЕНТА


 

 

 


№п/п

Основной этап ТП

Возможный способ получения

Эскиз этапа

1

Входной контроль и термостабилизация диэлектрика

    

2

Раскрой материала

  

3

Получение заготовок и  фиксирующих отверстий

Штамповка

4

Подготовка поверхности  заготовки

Механический способ

  

5

Получение защитного рельефа

1сеткография.

2 офсетная печать.

Подготовительные этапы: изготовление трафаретов для СГ; Изготовление офсетной формы

6

Сушка

1 ультрафиолетовая сушка

2 термическая сушка

  

7

Травление меди с пробельных мест

  

8

Удаление защитного рельефа

  

9

Получение монтажных отверстий

1 штамповка;

2 сверление.

10

Нанесение паяльной маски

Сеткография.Подготовительные этапы: изготовление трафаретов для нанесения паяльной маски

11

Сушка

1 ультрафиолетовая сушка

2 термическая сушка

  

12

Лужение

Сплав Розе, ПОС - 61

13

Отмывка от флюса

    

14

Маркировка 

1 сеткография.

2 каплеструйный метод.

 

15

Контроль электрических  параметров

    

16

Вырубка по контуру и получение  крепежных отверстий

Штамповка



 Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

НАЗВАНИЕ ДОКУМЕНТА


Таблица 1- Основные этапы  химического негативного метода

 

 

 

 

 

 

 

Проектирование печатных плат