Разработка печатного узла микшера

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Кафедра радиоэлектронных средств

Расчетно-пояснительная записка

К курсовому проекту по курсу

«Основы конструирования радиоэлектронной аппаратуры»

на тему:

«Разработка печатного узла микшера»

Руководитель:                        Исполнитель:

Серенков В.Ю.                        студент ИЭФ

                        гр. 771502

                        Ковалёв С.В.

Минск 2009 г.

2

Введение

В производстве изделий приборостроения, электроники, средств вычислительной техники и бытовой  аппаратуры широко применяются печатные платы (ПП) как средство, обеспечивающие автоматизацию монтажно-сборочных операций, снижение габаритных размеров аппаратуры, металлоёмкости и повышения ряда конструктивных и эксплутационных качеств изделия.

В процессе изготовления ПП в зависимости от их конструктивных особенностей и масштабов производства применяются различные варианты технологических процессов, в которых используются многочисленные химико-технологические операции и операции механической обработки.

При разработке конструкции ПП проектировщику приходится решать схемотехнические  (минимизация количества слоёв, трассировка), радиотехнические (расчёт паразитных наводок), теплотехнические (температурный режим работы платы и элементов), конструктивные (размещение элементов), технологические (выбор метода изготовления) задачи. 

Целью данного курсового проекта является разработка печатного узла микшера. В ходе разработки проекта мы выполним следующие      действия:

      выполним чертеж схемы электрической принципиальной;

      составим перечень элементов;

      выполним трассировку ПП;

      оформим сборочный чертеж;

      выполним спецификацию.

1.Основные определения и типы печатных плат

Печатные платы (ПП) – основа печатного монтажа любой ЭА, при котором МС, полупроводниковые приборы, ЭРЭ и элементы коммутации устанавливаются на изоляционное основание с системой токопроводящих полосок металла (проводников), которыми они электрически соединяются между собой в соответствии с электрической принципиальной схемой.

Печатный монтаж – способ монтажа, при котором электрическое соединение элементов электронного узла, включая экраны, выполнено с помощью печатных проводников.

Печатный проводник – проводящая полоска в проводящем рисунке.

В ЭА применяют ПП практически на всех уровнях конструктивной иерархии:

- на нулевом – в качестве основания ГИС и микросборок;

- на первом и последующих – в качестве основания, механически и электрически объединяющего все элементы, входящие в схему электрическую принципиальную ЭА.

Государственным стандартом предусмотрены следующие типы ПП:

- односторонняя печатная плата (ОПП) – ПП, на одной стороне которой выполнен проводящий рисунок (рис. 4.2, а);

- двусторонняя печатная плата (ДПП) – ПП, на обеих сторонах которой выполнены проводящие рисунки и все требуемые соединения (рис. 1);

- многослойная печатная плата (МПП) – ПП, состоящая из чередующихся слоев изоляционного материала с проводящими рисунками на двух или более слоях, между которыми выполнены требуемые соединения;

- гибкая печатная плата (ГПП) – ПП, имеющая гибкое основание;

- гибкий печатный кабель (ГПК) – система параллельных печатных проводников, размещенных на гибком основании.

б

Рис 1. Основные типы печатных плат:

а – односторонняя ПП; б – двусторонняя ПП

На рисунке приведены следующие обозначения:

t – ширина печатного проводника;

s – расстояние между печатными проводниками;

Q – расстояние от края ПП (выреза, паза) до элементов проводящего рисунка;

b – расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (поясок);

D – диаметр контактной площадки;

d – диаметр отверстия;

– толщина фольги;

–толщина материала основания печатной платы;

– толщина ПП;

l – расстояние между центрами (осями) отверстий.

Проводящий рисунок – совокупность всех элементов на отдельном слое ПП, образованных проводящим материалом (печатные проводники, контактные площадки, концевые контакты печатного разъема и др.).

Перемычка ПП – отрезок проводникового материала, не входящий в рисунок ПП и обеспечивающий электрическое соединение между двумя точками проводящего рисунка на одной стороне ПП (устанавливается при невозможности выполнить соединение печатным проводником).

Разновидности отверстий на печатной плате – монтажные (могут быть металлизированными) и крепежные (для механического крепления ПП на шасси, для крепления разъемов и т.д.).

Каждое монтажное и переходное отверстие должно быть охвачено контактной площадкой.

2.Односторонние, двусторонние и многослойные печатные платы

Таблица 1

Схемы сечений ОПП и ДПП

ОПП содержат один слой проводящего рисунка и имеют следующие достоинства:

высокая точность выполнения проводящего рисунка;

отверстия можно использовать и без металлизации;

возможность установки ЭРЭ, ПП и ИМС на поверхность платы без дополнительного изоляционного покрытия;

относительно низкая стоимость.

ДПП требует металлизации монтажных и переходных отверстий, что усложняет технологию изготовления (два этапа меднения – химическое, а затем и гальваническое).

Для металлизации отверстий могут быть использованы пистоны с последующей их зенковкой.

Печатные платы с металлизированными отверстиями более надежны в эксплуатации, так как обеспечивается лучшее сцепление навесных ИМС и ЭРЭ с печатными проводниками и с основанием платы.

ДПП на металлическом основании с нанесенным на него электроизоляционным покрытием применяются, когда нужно обеспечить отвод тепла при размещении на плате тепловыделяющих ЭРЭ и полупроводниковых приборов большой мощности.

МПП имеют много разновидностей. Например, МПП со сквозными металлизированными отверстиями представляют собой чередование проводящих и склеивающих диэлектрических слоев. Применяются для установки элементов, как с планарными, так и со штыревыми выводами. Они обеспечивают более плотный монтаж.

3.Методы конструирования ПП

Выделяют следующие методы конструирования ПП:

1. Ручной метод.

При данном методе размещение изделий электронной техники на печатной плате  и трассировку печатных проводников осуществляет конструктор. Этот метод обеспечивает оптимальное распределение  проводящего рисунка.

Порядок организации работ  при ручном методе: принципиально-электрическая схема разбивается на функционально связанные группы и производится размещение  навесных элементов в каждой этой группе; группа элементов, имеющая наибольшее количество связей с уже размещенной группой навесных элементов размещается рядом и т.д.

2. Полуавтоматизированный метод.

Этот метод предполагает размещение навесных изделий электронной техники с помощью ЭВМ и ручная трассировка, или ручное размещение изделий электронной техники и автоматизированная трассировка. Этот метод обеспечивает более высокую производительность в сравнении с ручным методом.

3. Автоматизированный метод.

Данный метод предусматривает кодирование исходных данных, размещение навесных элементов и трассировку печатных проводников с использованием ЭВМ. Допускается  доработка отдельных соединений вручную.

Ограничения при проектировании ПП:

1. размещение массивных элементов на поверхности печатной платы:

их следует размещать по краю ПП, особенно учитывается при предполагаемой эксплуатации изделия в условиях механических воздействий;

2. размещение тепловыделяющих элементов:

их следует размещать вдали от  элементов,  которые чувствительны к теплу и могут изменять свои параметры при изменении температуры;

3. обеспечение электромагнитной совместимости элемента:

близкое размещение отдельных элементов может создать возникновение емкостной или индуктивной связи между ними, а эти связи принципиальной схемой не предусмотрены. Эти различия нарушают работоспособность  устройства, и вместо усилителя мы можем получить, например, генератор.

4.Последовательность процесса конструирования печатных плат

Рекомендуется следующий порядок конструирования плат:

изучение технического задания на изделие, в состав которого входит печатная плата;

определение условий эксплуатации и группы жесткости;

выбор типа и класса точности;

выбор размеров и конфигурации;

выбор материала основания;

выбор конструктивного покрытия;

размещение навесных элементов и трассировка печатных проводников;

выбор метода маркировки и ее расположения;

разработка конструкторской документации.

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

В зависимости от условий эксплуатации в соответствии с ГОСТ 23752-79 определяют группу жесткости, предъявляющую соответствующие требования к конструкции печатной платы, к используемому материалу основания и необходимости применения дополнительной защиты от климатических, механических и других видов воздействий. Эти требования записывают в технических требованиях на поле чертежа печатной платы.

5.Выбор размера ПП и шага координатной сетки

Размеры, конфигурацию и места крепления ПП выбирают в зависимости от установочных размеров, элементной базы, эксплуатационных характеристик, использования автоматизированных методов установки навесных элементов, пайки, контроля и технико-экономических показателей.

Размеры сторон ПП должны соответствовать ГОСТ 10317-79.

Размеры каждой стороны ПП должны быть кратными:

2,5мм при длине стороны до 100мм;

5мм при длине до 350мм;

10 мм при длине более 350мм.

Максимальный размер любой из сторон должен быть не более 470мм.    Рекомендуемое соотношение линейных размеров сторон печатной платы - 3:1. Количество типоразмеров печатных плат следует ограничивать. Рекомендуется разрабатывать платы прямоугольной формы.

При определении размеров предпочтение отдают меньшим габаритам, даже если общее количество плат в блоке обычно увеличивается. При производстве плат больших размеров усложняется технологическое оборудование, увеличивается брак, связанный с некоторой нестабильностью качества исходного материала по полю заготовки, уменьшается допустимая плотность проводящего рисунка и непропорционально возрастает трудоемкость изготовления.

Допуски на линейные размеры сторон ПП должны соответствовать ГОСТ 25347-82: предельные отклонения на сопряженные размеры контура  ПП не должны быть более 12 квалитета; предельные отклонения на несопрягаемые размеры контура ПП не должны быть  более 14 квалитета.

    Размеры на чертеже печатной платы указывают одним из следующих способов:

1 - нанесением координатной сетки в прямоугольной системе координат;

2 - нанесением координатной сетки в полярной системе координат;

3 - комбинированным способом: при помощи размерных и выносных линий и координатной сетки в прямоугольной или полярной системе координат.

     Координатную сетку на чертеже следует наносить на все поле печатной платы или рисками по периметру контура печатной платы.

    При задании размеров нанесением координатной сетки все линии сетки должны нумероваться. Допускается не наносить линии координатной сетки или наносить их через определенные интервалы (не более 5). Допускается наносить линии координатной сетки через одну, при этом в технических требованиях чертежа записывают пояснения типа: «Линии координатной сетки нанесены через одну».

    В соответствии с ГОСТ 10317-79 основной шаг координатной сетки 2,5 мм, дополнительные – 1,25мм; 0,625мм (0,5мм).

Диаметры монтажных, переходных, металлизированных  и не металлизированных отверстий должны быть выбраны из ряда: 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3;1,4;1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0 и так далее до 3мм.

6.Маркировка печатных плат

Маркировка, наносимая на печатную плату, подразделяется на основную и дополнительную. Основная маркировка наносится обязательно и должна содержать:

- обозначение печатной платы или ее условный шифр;

- порядковый номер изменения чертежа, относящийся только к изменению проводящего рисунка;

- буквенно-цифровые обозначение в слоях МПП.

Дополнительная маркировка наносится при необходимости и может содержать:

- порядковый или заводской номер ПП или партии ПП;

- позиционное обозначение навесных элементов;

- цифровое обозначение первого вывода навесного элемента, точек контроля;

- обозначение положительного вывода полярного элемента (знак «+»).

Основная маркировка может выполнятся способом, которым выполняется проводящий рисунок.

Дополнительная маркировка обычно выполняется краской.

Толщина печатной платы соответствует толщине фольгированых диэлектриков и в большинстве случаев не превышает 3,0 мм. По периферии печатной платы располагаются выемки и пазы,  контуры которых необходимо совмещать с линиями координатной сетки. Все центры монтажных, переходных и крепежных отверстий следует располагать  в узлах координатной сетки.  Если в конструкции элемента отсутствуют выводы, расстояния между которыми кратно шагу координатной сетки, то  в узлы сетки располагают центр одного, принятого за основание. Отверстия на печатной плате  располагают так, чтобы минимальное расстояние  между внешним контуром платы и краем отверстия было не менее толщины платы.

Переходным элементом к печатному проводнику является контактная площадка. Минимальные размеры контактных площадок определяются исходя из номинального диаметра отверстия (табл. 1).

Табл.1. Диаметры отверстий и контактных площадок

На чертеже печатной платы отверстия показывают для упрощения одной окружностью без окружности и контактной площадки. Отверстия диаметром 0,8 мм используют как монтажное и переходное наиболее часто. Это отверстие должно быть незачерченным.

Проводники  шириной менее 2,5 мм изображают сплошной основной линией, которая является осью симметрии проводника. Действительная ширина проводника  оговаривается в технических требованиях. Проводники шириной более 2,0-2,5 мм изображают двумя линиями. Их либо располагают симметрично координатной сетке, штрихуют и подставляют к сетке, а если он совпадает с координатной сеткой, то штрихуется, но размер не ставится.

7.Материалы оснований печатных плат

В качестве материалов оснований ПП используют:

фольгированные и нефольгированные диэлектрики (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, стеклоткань, лавсан, полиимид, фторопласт и др.);

керамику;

металлические пластины.

При выборе материала основания ПП обращают внимание на следующие обстоятельства:

предполагаемые МВ (вибрации, удары и т.д.);

класс точности ПП (расстояние между проводниками);

условия эксплуатации;

стоимость и др.

Выбор материала основания ПП рекомендуется осуществлять в соответствии с ОСТ 4.010.022-85.

Таблица  2

Некоторые материалы основания для ОПП И ДПП

Диэлектрическое основание платы представляет собой обычно бумажную (гетинаксы) или текстильную (текстолиты) основу, пропитанную фенольной либо эпоксидной смолой.

Преимущество гетинаксов в том, что они легко поддаются механической обработке, что важно при серийном и массовом производстве РЭС. Их недостаток – повышенная чувствительность к влажности и нестабильность размеров (прогибы и др.).

В стеклотекстолитах в качестве основы используют стеклоткань, пропитанную эпоксидной смолой. Этот материал более качественный, чем гетинакс, но более дорогой и труднообрабатываемый (быстро затупляет острые кромки инструментов – сверла и т.д.).

Фольгированные диэлектрики – электроизоляционные основания, плакированные (покрытые) обычно медной фольгой с оксидированным гальваностойким слоем, прилегающим к электроизоляционному основанию. Они могут быть односторонними и двусторонними.

Нефольгированные диэлектрики, предназначенные для аддитивного метода производства плат, имеют на поверхности специально нанесенный адгезивный слой, который служит для лучшего сцепления химически осаждаемой меди с диэлектриком.

По сравнению с гетинаксами стеклотекстолиты имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, меньшее влагопоглощение. Недостатки стеклотекстолитов – худшая механическая обрабатываемость, более высокая стоимость, существенное различие (приблизительно в 10 раз) коэффициента теплового расширения меди и стеклотекстолита в направлении толщины материала, что может привести к разрыву металлизации в отверстиях при пайке или в процессе эксплуатации.

В качестве материалов основания для МПП также используют различные диэлектрические материалы – стеклотекстолит, полиимид, стеклоткань прокладочную и др.

Для изготовления ГПП и ГПК используют фольгированный лавсан, фторопласт, полиимид и др. ДПП на металлическом основании с нанесенным на него электроизоляционным покрытием применяются, когда нужно обеспечить отвод тепла при размещении на плате тепловыделяющих ЭРЭ, полупроводниковых приборов и ИМС большой мощности. Их другое достоинство – большая механическая прочность.

При повышенных требованиях к стабильности параметров используют керамические платы. На поверхность таких плат наносят проводящие и резистивные пасты и вжигают их при t = 600…700 ºC.

8.Печатный монтаж и методы его получения

Печатный монтаж может быть реализован на различных материалах и различными техническими способами (рис. 2).

Рис.2. Способы получения проводников

Из субтрактивных методов наибольшее применение нашли химический негативный и комбинированный позитивный. Первый используется для получения односторонних печатных плат, внутренних слоев многослойных печатных плат и гибких печатных шлейфов. Его достоинство – высокая точность геометрии проводников из-за отсутствия процессов гальванического осаждения меди. Вторым методом получают двусторонние печатные платы (ДПП) и многослойные печатные платы (МПП) из фольгированного травящегося диэлектрика. Способность диэлектрика к подтравливанию особенно важна для МПП, где от этого зависит надежность межслойных соединений. ДПП выполняются без использования травящегося диэлектрика.

Рассмотрим в  качестве примера последовательность основных операций изготовления ПП химическим негативным методом (рис 3).

Рис. 4.6. Основные операции изготовления печатных плат

химическим негативным методом:

а – заготовка из фольгированного диэлектрика; б – нанесение фоторезистивного печатного рисунка; в – травление печатного рисунка; г – удаление фоторезиста; д – механическая обработка монтажных отверстий; е – нанесение лаковой (эпоксидной) маски; ж – облуживание контактных площадок; з – пайка выводов ЭРЭ и других элементов

Технология формирования печатного рисунка обычно осуществляется с использованием процесса фотолитографии и веществ, обладающих специальными свойствами – фоторезистов.

Фоторезисты – вещества, устойчивые к агрессивному воздействию кислот и щелочей, предназначенные для защиты отдельных участков фольги печатной платы и изменяющие свои свойства под воздействием ультрафиолетового излучения. Технологический процесс получения контактной маски на поверхности печатной платы с помощью фоторезиста называется фотолитографией.

В зависимости от механизма протекающих в фоторезисте реакций фоторезисты бывают позитивные и негативные. При облучении негативного фоторезиста через фотошаблон в нем протекают реакции, приводящие к потере фоторезистом растворимости. После обработки в соответствующих растворителях на плате остается рисунок печатной платы, негативный по отношению к фотошаблону (рис. 4).

Рис. 4. Формирование фоторезистивной маски