Разработка печатной платы источника

Печатные платы - это элементы конструкции, которые состоят из плоских проводников в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение элементов электрической цепи. Они получили широкое распространение в производстве модулей, ячеек и блоков благодаря следующим преимуществам по сравнению с традиционным объемным монтажом проводниками и кабелями:

– повышение плотности размещения компонентов и плотности монтажных соединений, возможность существенного уменьшения габаритов и веса изделий;

– получение печатных проводников, экранирующих поверхностей и электро и радиодеталей в одном технологическом цикле;

– гарантированная стабильность и повторяемость электрических

характеристик (проводимости, паразитных емкости и индуктивности);

– повышение быстродействия и помехозащищенности схем;

– повышенная стойкость и климатическим и механическим

воздействиям;

– унификация и стандартизация конструктивных и технологических решений;

– увеличение надежности узлов, блоков и устройства в целом;

– улучшение технологичности за счет комплексной автоматизации монтажно-сборочных и контрольно-регулировочных работ;

– снижение трудоемкости, материалоемкости и себестоимости.

К недостаткам следует отнести сложность внесения изменений в конструкцию и ограниченную ремонтопригодность.

Элементами ПП являются диэлектрическое основание, металлическое покрытие в виде рисунка печатных проводников и контактных площадок, монтажные и фиксирующие отверстия.

Общие требования к ПП

Диэлектрическое основание ПП должно быть однородным по цвету, монолитным по структуре.

Проводящий рисунок ПП должен быть четким, с ровными краями, без вздутий, отслоений, разрывов, следов инструмента и остатков технологических материалов.

Монтажные и фиксирующие отверстия должны быть расположены в соответствии с требованиями чертежа и иметь допустимые отклонения, определяемые классом точности ПП. Для повышения надежности паяных соединений внутреннюю поверхность монтажных отверстий покрывают слоем меди толщиной не менее 25 мкм.

Контактные площадки представляют собой участки металлического покрытия, которые соединяют печатные проводники с металлизацией монтажных отверстий. Их площадь должна быть такой, чтобы не было разрывов при сверлении и остался гарантийный поясок меди шириной не менее 50 мкм. Разрывы контактных площадок не допускаются, так как при этом уменьшаются токонесущая способность проводников и адгезия к диэлектрику.

Виды печатных плат. В зависимости от числа нанесенных печатных проводящих слоев печатные платы разделяются на одно- двух- и многослойные. Первые два типа называют также одно- и двусторонними.

Односторонние печатные платы (ОПП) выполняются на слоистом прессованном или рельефном литом основании без металлизации или с металлизацией монтажных отверстий. Платы на слоистом диэлектрике просты по конструкции и экономичны в изготовлении. При невозможности стопроцентной разводки печатных проводников применяются навесные перемычки. Их применяют для монтажа бытовой радиоаппаратуры, блоков питания, устройств техники связи. Низкие затраты, высокую технологичность и нагревостойкость имеют рельефные литые ПП, на одной стороне которых расположены элементы печатного монтажа, а на другой - объемные элементы (корпуса соединителей, периферийная арматура для крепления деталей и ЭРЭ, теплоотводы и др.). В этих платах за один технологический цикл получается вся конструкция с монтажными отверстиями и специальными углублениями для расположения ЭРЭ, монтируемых на поверхность. В настоящее время технология рельефных ПП интенсивно развивается.

Двусторонние печатные платы (ДПП) имеют проводящий рисунок на обеих сторонах диэлектрического или металлического основания и обеспечивают высокую плотность установки компонентов и трассировки. Переходы проводников из слоя в слой осуществляются через металлизированные переходные отверстия. Платы допускают как монтаж компонентов на поверхности, в том числе с двух сторон, так и монтаж компонентов с осевыми и штыревыми выводами в металлизированные отверстия. Расположение элементов печатного монтажа на металлическом основании позволяет решить проблему теплоотвода в сильноточной аппаратуре.

Многослойные печатные платы (МПП) состоят из чередующихся слоев изоляционного материала с проводящими рисунками на двух или более слоях, между которыми выполнены требуемые соединения, соединенных клеевыми прокладками в монолитную структуру путем прессования. Электрическая связь между проводящими слоями выполняется специальными объемными деталями, печатными элементами или химико-гальванической металлизацией. По сравнению с ОПП и ДПП они характеризуются повышенной надежностью и плотностью монтажа, устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям, уменьшением размеров и числа контактов. Однако большая трудоемкость изготовления, высокая точность рисунка и совмещения отдельных слоев, необходимость тщательного контроля на всех операциях, низкая ремонтопригодность, сложность технологического оборудования и высокая стоимость позволяют применять МПП только для тщательно отработанных конструкций радиоэлектронной аппаратуры.

При разработке конструкции печатных плат решаются следующие взаимосвязанные между собой задачи:

– схемотехнические - трассировка печатных проводников,

минимизация слоев и т.д.;

– радиотехнические - расчет паразитных наводок, параметров линий

связи и пр.;

– теплотехнические - температурный режим работы ПП, теплоотводы;

– конструктивные - размещение элементов на ПП, контактирование

и пр.;

– технологические - выбор метода изготовления, защита и пр.

Конструктивные особенности ПП. Ширину печатных проводников рассчитывают и выбирают в зависимости от допустимой токовой нагрузки, свойств токопроводящего материала, температуры окружающей среды при эксплуатации. Края проводников должны быть ровными, проводники без вздутий, отслоений, разрывов, протравов, пор, крупнозернистости и трещин, так как эти дефекты влияют на сопротивление проводников, плотность тока, волновое сопротивление и скорость распространения сигналов.

Расстояние между элементами проводящего рисунка, расположенными на наружных или в соседних слоях ПП, зависит от допустимого рабочего напряжения, свойств диэлектрика, условий эксплуатации и связано с помехоустойчивостью, искажением сигналов и короткими замыканиями.

Координатная сетка чертежа ПП необходима для координации элементов печатного рисунка. В узлах пересечений сетки располагаются монтажные и переходные отверстия. Основным шагом координатной сетки принят размер 0,5 мм в обоих направлениях. Если этот шаг не удовлетворяет требованиям конкретной конструкции, можно применять шаг, равный 0.05 мм. При использовании микросхем и элементов с шагом выводов 0.625 мм допускается применение шага координатной сетки 0.625 мм. При использовании микросхем зарубежного производства с расстояниями между выводами по дюймовой системе допускается использование шага координатной сетки, кратного 2.54 мм.

Диаметры монтажных и переходных отверстий (металлизированных и неметаллизированных) должны выбираться из ряда 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; U; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4;2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3,0. Монтажные отверстия предназначены для установки микросхем и ЭРЭ, а переходные отверстия для электрической связи между слоями или сторонами ПП.

Допустимая плотность тока для ОПП, ДПП и наружных слоев МПП - 20 А/мм²; для внутренних слоев МПП - 15 А/мм². Допустимое рабочее напряжение между элементами проводящего рисунка, расположенными в соседних слоях ПП и ГПК, зависит от материала основания печатной платы и не должно превышать значений, указанных в таблице 7.1.

Таблица 7.1 - Допустимое рабочее напряжение между элементами проводящего рисунка

Допустимые рабочие напряжения между элементами проводящего рисунка, расположенными на наружном слое ПП, зависят от материала основания ПП, условий эксплуатации и не должны превышать следующих значений (таблица 7.2).

Таблица 7.2 - Допустимые рабочие напряжения

Классы точности ПП. Отечественным стандартом ГОСТ 23751-86 предусматривается пять классов точности (плотности рисунка) ПП (таблица 7.3). Выбор класса точности определяется достигнутым на производстве уровнем технологического оснащения. В КД должно содержаться указание на необходимый класс точности ПП.

Платы первого и второго классов точности просты в изготовлении, дешевы, не требуют для своего изготовления оборудования с высокими техническими показателями, но не отличаются высокими показателями плотности компоновки и трассировки.

Для изготовления плат четвертого и пятого классов требуется специализированное высокоточное оборудование, специальные материалы, безусадочная пленка для изготовления фотошаблонов, идеальная чистота в производственных помещениях, вплоть до создания "чистых" участков (гермозон) с кондиционированием воздуха и поддержанием стабильного температурно-влажностного режима. Технологические режимы фотохимических и гальвано-химических процессов должны поддерживаться с высокой точностью.

Таблица 7.3 - Классы точности ПП

В проекте было разработано две печатные платы, которые располагаются в одном корпусе. Первая плата силовая (рисунок 7.1) располагается на первом этаже, т.е на ней расположены силовые ключи инвертора, силовой дроссель, система управления силовыми ключами инвертора, источник питания собственных нужд. Причем плата крепится к радиатору, транзисторы и диоды плотно прижимаются болтами к радиатору. Вторая плата управления (рисунок 7.2), на ней размещен индикация и управляющие кнопки. С платой силовой она соединяется через шлейф.

В качестве материала для изготовления печатных плат используется двухсторонний фольгированный стеклотекстолит СФ-2Н-50-1,5 ГОСТ 10316-78.

При проектировании печатной платы использован шаг координатной сетки 1,25 мм. Ёмкости, резисторы, диоды и микросхемы установлены в узлах координатной сетки и располагаются параллельно печатной плате. Расстояние между корпусами не менее одного миллиметра.

Размеры сквозных отверстий берутся в соответствии с ГОСТ 11284-75. Плата изготовлена комбинированным позитивным способом ГОСТ 23752-79.

Исходя из требований допустимого перегрева печатных проводников, для них устанавливается допустимая плотность тока J_доп = 30 А/мм².

Допустимый ток в печатных проводниках определяется как:

                                           (7.1)

где b – ширина проводника, мм;

t_п – толщина проводника, мкм.

Для стабильности работы печатных проводников должно соблюдаться равенство:

                                                                 (7.2)

где: I – ток, протекающий в проводнике, А.

Толщина фольги на фольгированных материалах берется равной 70 мкм. Ширина b зависит от величины протекающего тока и перегрева проводника. На различных участках платы протекают разные по величине токи. При данной толщине фольги по проводнику шириной 1 мм может проходить ток:

 А