Сущность печатного монтажа заключается в нанесении на изоляционное основание тонких электропроводящих покрытий, выполняющих функции монтажных проводов и элементов схемы - резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, контактных деталей и др. Ниже приведены основные термины, которые будут использованы при изложении материала.
Печатный проводник – участок токопроводящего покрытия, нанесенного на изоляционное основание, выполняющий функции обычного монтажного провода.
Печатный, монтаж – система печатных проводников, обеспечивающих электрическое соединение элементов схемы.
Печатная плата – изоляционное основание с нанесенным на нем печатным монтажом.
Навесные элементы – объемные электро- и радио элементы, установленные и закрепленные на печатной плате способом пайки и имеющие электрический контакт с печатными проводниками.
Контактная площадка – металлизированный участок вокруг монтажного отверстия, имеющий электрический контакт с печатным проводником и обеспечивающий электрическое соединение навесных элементов схемы с печатным монтажом.
Монтажное отверстие – отверстие в печатной плате, предназначенное для закрепления выводов навесных элементов и электрического соединения их с печатными проводниками.
Координатная сетка – сетка, наносимая на изображение платы и служащая для определения положения монтажных отверстий, печатных проводников и других элементов платы.
Шаг координатной сетки – расстояние между соседними линиями координатной сетки. Шаг координатной сетки должен быть кратным 0,625 мм (0,625; 1,25; 1,875; 2,5 и т. д.)
Узел координатной сетки – точка пересечения линий координатной сетки.
Свободные места – участки печатной платы, где при размещении проводников могут быть выдержаны рекомендуемые значения ширины проводников и расстояния между проводниками и контактными площадками.
Узкие места – участки печатной платы, где при размещении проводников, ширина проводников, расстояния между ними и контактными площадками выполняются меньше рекомендуемых (вплоть до минимально допустимых).
Печатный блок – печатная плата с печатной схемой, навесными элементами и другими деталями, прошедшая все стадии изготовления.
Процесс разработки чертежа печатной платы складывается из следующих операций:
– компоновка печатной платы, в процессе которой находят оптимальное размещение навесных элементов на печатной плате. Компоновку обычно выполняют с помощью шаблонов элементов, устанавливаемых на плате, изготовленных из бумаги или другого материала. Шаблоны выполняют в том же масштабе, в котором оформляется чертеж печатной платы. Эти шаблоны размещают на листе бумаги или другого материала с нанесенной координатной сеткой и ищут такое расположение деталей, при котором длина соединяющих их проводников минимальна.
В результате компоновки находят положения контактных площадок для подключения всех элементов;
– разводка печатных проводников («трассировка»). Цель этой операции – провести проводники, соединяющие контактные площадки, так, чтобы они имели минимальную длину и минимальное число переходов на другие слои с целью устранения пересечений;
– оформление чертежа с соблюдением требований стандартов.
Первые два процесса – компоновка и разводка – неразрывно связаны между собой, так как иногда в процессе разводки конструктор обнаруживает, что компоновку нужно изменить. На выполнение этих двух процессов при разработке сложных плат затрачивается много времени. Поэтому при разработке плат применяют машинное проектирование с использованием ЭВМ. При этом методе в машину вводят закодированную специальным образом схему соединений между элементами, и машина, снабженная специальной математической программой, находит необходимое число слоев и места прокладки проводников, соединяющих контактные площадки. При этом специальные программные графопостроители, снабженные оптическими устройствами, выполняют на фотопленке негатив, необходимый для изготовления каждого слоя печатной платы. Следует отметить, что машинные методы трассировки, обеспечивая высокую производительность труда, не могут обеспечить такую же экономичную компоновку, какую мог бы сделать человек. Если число слоев в плате ограничено, а схема сложная, то иногда машина останавливается, не находя пути для прокладки какого-либо проводника. Тогда в процесс трассировки приходится вмешиваться человеку. Такие ситуации – результат несовершенства используемых алгоритмов. По мере совершенствования алгоритмов эффективность машиных методов проектирования будет повышаться.
Чертеж печатной платы должен содержать основные проекции платы с печатными проводниками и отверстиями. Его выполняют в масштабе 2:1 или 4:1. На чертеже платы тонкими линиями наносят координатную сетку в соответствии с выбранным масштабом.
Размеры на чертеже печатной платы указывают одним из следующих способов:
– с помощью размерных и выносливых линий;
– нанесением координатной сетки в прямоугольной или в полярной системе координат;
– комбинированным способом с помощью размерных и выносных линий и координатной сетки.
При задании размеров координатной сетки ее линии нумеруют.
Проводники на чертеже печатной платы изображают одной линией, являющейся осью симметрии проводника. При этом в технических требованиях чертежа должна быть указана ширина проводника.
Во многих случаях для плат ограничивается только минимальная ширина проводника. Ее указывают отдельно для свободных и узких мест, как, например, показано в табл.5.7.
Таблицу помещают в «Технические требования», которые размещают на поле чертежа.
Таблица 5.7. Оформления на чертеже таблицы параметров элементов платы
| Параметр элементов платы | Размеры, мм, не менее | |
| в свободных местах | в узких местах | |
| Ширина проводников | 0,8 | 0,3 |
| Расстояние между двумя проводниками | 0,8 | 0,4 |
| Расстояние между двумя контактными площадками или проводником и контактной площадкой | 0,8 | 0,3 |
Проводники шириной более 2,5 мм можно изображать двумя линиями, при этом, если они совпадают с линиями координатной сетки, числовое значение ширины на чертеже не указывают.
Отдельные элементы рисунка печатной платы (широкие проводники, контактные площадки, экраны, изоляционные участки и т. п.) можно выделять штриховкой, чернением.
Круглые отверстия, имеющие зенковку, и круглые контактные площадки с круглыми отверстиями изображают одной окружностью. Размер диаметров круглых контактных площадок указывают в технических требованиях.
Если у контактной площадки регламентируется только минимальная радиальная ширина bmin, то такую площадку показывают окружностью, диаметр которой равен диаметру отверстий, а в технических требованиях указывают: «Форма контактных площадок произвольная, bmin...». Контактные площадки для припайки выводов планарных корпусов микросхем выполняют, как показано на рис.5.1, в.
Диаметры монтажных и переходных металлизированных и не металлизированных отверстий выбирают из ряда (0,2); 0,4; (0,5); 0,6; (0,7); 0,8; (0,9); 1,0; (1,2); 1,3; 1,5; 1,8; 2,0; 2,2; (2,4); (2,6); (2,8); (3,0). Диаметры, не взятые в скобки, являются предпочтительными. Не рекомендуется на одной печатной плате иметь более трех различных диаметров отверстий.
Таблица 5.4. Диаметры отверстий в зависимости от диаметра вывода элемента.
| Диаметр выводов элементов, мм | Диаметр отверстия в плате, мм | Диаметр зенковки с двух сторон, мм | Диаметр контактной площадки, мм | Диаметр выводов элементов, мм | Диаметр отверстия в плате, мм | Диаметр зенковки с двух сторон, мм | Диаметр контактной площадки, мм |
| 0,5 – 0,6 0,7 – 0,8 0,9 – 1,0 1,2 – 1.3 | 0,8 1,0 1,3 1,5 | 1,1 × 70º 1,5× 70º 1.8× 70º 2,0× 70º | 2,2 2,5 3,0 3,5 | 1,3 –1,5 1,8 – 2,0 2,0 – 2,2 2,4 – 2,6 | 1,8 2,2 2,5 2,8 | 2,2 × 70º 2,8 × 70º 3,0 × 70º 3,2 × 70º | 4,0 5,0 5,5 6,0 |
Диаметры металлизированных отверстий выбирают в зависимости от диаметров выводов навесных элементов и толщины платы, а диаметры не металлизированных отверстий – в зависимости от диаметров выводов навесных элементов, устанавливаемых в эти отверстия (табл. 5.4).
Параметры отверстий (диаметр, допуск на диаметр, зенковку и допуск на нее, наличие и отсутствие металлизации) непосредственно около каждого отверстия не проставляют. Отверстия, имеющие одинаковые параметры, обозначают одним и тем же условным значком, (табл.5.5).
Таблица 5.5. Условное обозначение диаметров отверстий.
| Диаметр отверстия, мм | 0,6 | 0,8 | 1,0 | 1,3 | 1,5 | 1,8 | 2,0 | 5,0 |
| Условное обозначение | 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
|
Параметры, характеризующие этот значок, объединяют в таблицу, которую включают в технические требования чертежа (табл. 5.6)
Таблица 5.6. Пример оформления таблицы отверстий на чертеже
| Обозначение | Диаметр, мм | Диаметр зенковки, мм | Наличие металлизации | Количество |
|
| 0,6+0,1 | 0,9+0.2 с двух сторон | Есть | |
|
| 0,8+0,1 | 1,1+0,2 | Есть | |
|
| 1,0+0,12 | 1,5+0,2 | Нет |
Участки платы, по которым не должны проходить печатные проводники, обводят штрихпунктирной линией и соответствующее указание делают в технических требованиях. Зенковку на отверстиях графически не показывают.
Кроме перечисленных данных в технических требованиях чертежа должно быть указано:
– номер технических условий, которым должна соответствовать плата;
– шаг координатной сетки;
– точность, с которой должна выдерживаться конфигурация проводников по отношению к сетке (1,5; 1,0 или 0,5 мм);
– указание о том, что допускается скругление углов контактных площадок и проводников;
– минимальная радиальная толщина контактных площадок;
– предельные отклонения расстояний между центрами отверстий
(кроме оговоренных особо на чертеже) в широких и узких местах;
– суммарная площадь металлизации платы;
– указания о гальваническом покрытии проводников печатной платы, например: «Печатный монтаж серебрить Ср9».
При необходимости в технических требованиях указывают способ изготовления печатной платы.
Для поверхностей печатной платы, которые в процессе изготовления подвергаются механической обработке (контур платы, отверстия, пазы и т. п.), устанавливают норму на шероховатость.
Шероховатость ограничивают, нормируя максимально допустимое значение параметра шероховатости Rz; обычно Rz не должна превышать 40 мкм.
В соответствующей графе основной надписи чертежа должна быть указана марка материала, из которого сделана печатная плата или изображенная на чертеже деталь МПП, а также номер ГОСТ или ТУ на этот материал.
Печатные узлы.
Печатную плату с установленными на ней электрорадиоэлементами (ЭРЭ) называют печатный узлом.
Если электрорадиоэлементы имеют штыревые выводы, то их устанавливают в отверстия печатной платы и запаивают. Если корпус ЭРЭ имеет планарные выводы, то их припаивают к соответствующим контактным площадкам внахлест.
ЭРЭ со штыревыми выводами нужно устанавливать на плату с одной стороны (для плат с односторонней фольгой – на стороне, где нет фольги). Это обеспечивает возможность использования высокопроизводительных процессов пайки, например пайку «волной». Для ЭРЭ с планарными выводами пайку «волной» применять нельзя. Поэтому их можно располагать с двух сторон печатной платы. При этом обеспечивается большая плотность монтажа, так как на одной и той же плате можно расположить большее количество элементов.
При размещении ЭРЭ на печатной плате необходимо учитывать следующее:
– полупроводниковые приборы и микроэлементы не следует располагать близко к элементам, выделяющим большое количество теплоты, а также к источникам сильных магнитных полей (постоянным магнитам, трансформаторам и др.);
– должна быть предусмотрена возможность конвекции воздуха в зоне расположения элементов, выделяющих большое количество теплоты;
– должна быть предусмотрена возможность легкого доступа к элементам, которые подстраивают при регулировании схемы.
На рис. 5.17 показаны часто применяемые способы установки элементов, имеющих два вывода, расположенных аксиально (сопротивления, конденсаторы, диоды и др).
б) в) г)
Рис.5.17. Установка элементов с аксиальными выводами.
При выборе межцентрового расстояния L, высоты Н и других размеров следует учитывать, что для всех типов ЭРЭ ограничено минимальное расстояние от корпуса элемента, на котором можно производить гибку вывода, и минимальное расстояние от корпуса до места приложения паяльника при пайке. Эти ограничения существует не только для ЭРЭ с аксиальными выводами, но и для всех типов ЭРЭ, подключаемых пайкой.
Соответствующие данные приводятся в ГОСТах и ТУ на ЭРЭ и в справочниках.
Если элемент имеет электропроводный корпус, установленный, как показано на рис. 5.17, а, и под корпусом проходит проводник, то необходимо предусмотреть изоляцию корпуса или проводника. Изоляцию можно осуществлять надеванием на корпус элемента трубок из изоляционного материала, нанесением тонкого слоя эпоксидной смолы на плату в зоне расположения корпуса (эпоксидная маска), наклеиванием на плату тонких изоляционных прокладок.
Элементы, установленные, как показано на рис 5.17, а, могут работать при более жестких механических воздействиях, чем установленные так, как показано на рис. 5.17, б, в.
В зависимости от конструкции конкретного типа элемента и характера механических воздействий, действующих при эксплуатации (частота и амплитуда вибрации, значение и длительность ударных перегрузок и др.), ряд элементов нельзя закреплять только пайкой за выводы – их нужно крепить дополнительно за корпус.
Крепление за корпус в зависимости от конструкции и массы элементов можно производить приклейкой к плате специальными мастиками или клеями, прилакировкой в процессе влагозащиты печатного узла, заливкой компаундом, привязкой нитками или проволокой, с помощью скоб, держателей и другими методами.
Чтобы обеспечить возможность применения групповой пайки (например, пайки «волной») элементов, устанавливаемых с зазором между платой и корпусом, необходимо предусматривать специальный изгиб выводов, как показано на рис. 5.17, б. Этот изгиб удерживает элемент и не дает ему опуститься на плату в процессе установки других элементов до операции пайки. На рис. 5.17, г показана установка элементов с аксиальными выводами в двухплатной конструкции.
На рис. 5.18 показаны возможные варианты установки транзисторов.
а) б) в)
Рис.5.18 Установка транзисторов.
1- подставка; 2-крепежная скоба.
При установке транзисторов, как показано на рис. 5.18, а, б ваппаратуре, работающей в условиях вибрации и ударов, корпус должен быть приклеен к плате или к переходной втулке.
На рис. 5.19 показаны варианты установки микросхем в корпусах с планарными выводами, в круглых корпусах и в плоских прямоугольных корпусах со штырьковыми выводами. Все указанные способы крепления микросхем обеспечивают их надежное крепление в условиях вибрации и ударов, действующих на аппаратуру, которая устанавливается на подвижных объектах (автомашинах, самолетах, судах и т. п.). При этом обязательно покрытие узлов влагозащитными лаками, которое обеспечивает дополнительное крепление выводов микросхемы к плате.
Рис.5.19. Установка микросхем
1 -теплопроводящая шина; 2 -изоляционная 3 -печатная плата изготовленная
методом выступающих выводов; 4 -подставка; 5 -прокладка.
Если микросхема выделяет большое количество теплоты и находится при повышенной температуре, то существует опасность нагрева корпуса микросхемы выше допустимой температуры. В этом случае под корпусами микросхем устанавливают теплоотводящую медную шину 1 (рис.5.19, в), концы которой должны плотно прилегать к корпусу изделия или другому элементу конструкции, способному" отводить выделяемую микросхемой теплоту в окружающее пространство. Медная шина должна быть изолирована изоляционной прокладкой от печатных проводников, проходящих под микросхемой. По тем же причинам изоляционные прокладки нужно применять при установке, изображенной на рис. 5.19, а. Вместо прокладок можно покрывать нижнюю поверхность корпуса микросхемы эпоксидной смолой.
ЭРЭ должны располагаться на печатной плате так, чтобы осевые линии их корпусов были параллельны или перпендикулярны друг другу. Это обеспечит при необходимости возможность применения специальных машин для автоматической установки и пайки ЭРЭ на печатной плате. На платах с большим количеством микросхем в однотипных корпусах их следует располагать правильными рядами.
Зазор между корпусами должен быть не менее 1,5 мм (в одном из направлений). Указанный зазор необходим для возможности захвата микросхемы специальными устройствами при автоматической установке. Планарные корпуса нужно располагать длинной стороной вдоль направления конвекционного потока воздуха. При этом улучшается охлаждение микросхемы.
Элементы, имеющие большую массу, следует размещать вблизи мест крепления платы или выносить их за пределы платы и закреплять на шасси аппарата.
Так как печатные платы имеют малые расстояния между проводниками, то воздействие влаги может привести к таким ухудшениям сопротивления изоляции, при которых будет нарушаться нормальная работа схемы. Поэтому печатные узлы, которые будут работать в сложных климатических условиях, необходимо покрывать слоем лака.
Используемые для этого лаки должны иметь следующие свойства:
– хорошую адгезию к материалу платы и печатным проводникам;
– малую влагопоглощаемость;
– большое сопротивление изоляции;
– способность быстро высыхать при невысокой плюсовой температуре;
– отсутствие растрескивания в диапазоне рабочих температур.
Наиболее часто для покрытия печатных плат используют лак УР-231.
Однако следует отметить, что тонкая пленка лака не способна надежно защитить плату от влаги при длительном воздействии, так как абсолютно влагонепоглощающих лаков не существует. Кроме того, на поверхности платы, покрытой лаком, могут быть отдельные участки с дефектами (пузырьками, царапинами и т. д.), через которые интенсивно проникает влага.
6. МЕТОДЫ И СПОСОБЫ КОМПОНОВКИ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ.
