Электрических характеристик монтажа

Топологическое конструирование печатных плат включает в себя размещение компонентов на рабочей площади МО и трассировку соединений между контактными площадками. При размещении расставляют навесные компоненты на МО, закрепляют соединители (разъемы) и распределяют их контакты по электрической схеме и размещают контрольные гнезда. При трассировке прокладывают линии соединений (проводники) между контактными площадками в соответствии со схемой электрической принципиальной, с учетом геометрических и электрических ограничений. Процесс топологического конструирования является в общем случае процессом постепенного приближения к результату, размещение и трассировка многократно корректируются в поиске наилучшего решения [26,27,56] .

Критерием наилучшего решения служит правило двух минимумов: 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 слоев и создает важные предпосылки для безотказности.

Минимум длины связей имеет значение для обеспечения быстродействия (минимизация погонного сопротивления проводников) и уменьшения паразитных параметров проводящего рисунка.

Современные средства автоматизированного конструирования позволяют избавиться от рутины ручного топологического конструирования, но подготовка исходных данных, принятие решений на этапах процесса остаются за конструктором. В связи с этим, необходимо знать основные правила выполнения топологического конструирования и различного рода ограничения, определяемые нормативными документами.

Контур площади, занимаемой на МО навесным компонентом, называют посадочным местом. Посадочное место состоит из площади, занимаемой корпусом компонента и системы контактных площадок под его выводы.

Рабочая площадь МО, или зона расположения посадочных мест на МО , равна общей площади МО за вычетом площади краевого поля - свободной полосы вдоль периметра МО, не занимаемой проводниками и навесными компонентами. Ширина краевого поля обозначена на рис. 4.25 штриховой линией, где обозначено: y ₁ - краевое поле для установки соединителя (разъема) на широкой (рис. 4.25, а.) или узкой (рис. 4.25 , б) стороне МО; y ₂ - краевое поле для элементов контроля и (или) уголка, ручки, деталей крепления лицевой панели и др. конструктивных элементов, обеспечивающих удобство извлечения узла из блока; х₁ и х₂ (обычно х₁ = х₂) - краевые поля для движения узла по направляющим в блоке или зоны технологического назначения. Размер х₁ = х₂ выбирается из диапазона 2,5 - 5 мм в зависимости от плотности монтажа. При отсутствии каких-либо элементов в краевом поле y₂ , его размер устанавливается равным 2,5 мм.

Размеры краевых полей приведены в табл. 2.6 - 2.8 пособия [27]. Там же приводится методика расчета числа посадочных мест микросхем на МО.

В соответствии с ГОСТ 17467-88, установлены следующие размеры шага позиции выводов микросхем ( расстояния между центрами соседних выводов): 2,5; 1,25; 1,0; 0,625 мм. Эти размеры должны быть согласованы с шагом координатной сетки МО. Шаг координатной сетки выбирается исходя из требуемой плотности монтажа, метода изготовления системы проводников на МО, выбранной элементной базы, преемственности и унификации параметров узлов изделия.

Печатные проводники рекомендуется выполнять одинаковой ширины по нормам для свободного места на всем их протяжении. Нормы свободного места распространяются на всю площадь монтажного основания. На отдельных участках могут возникнуть трудности с трассировкой из-за большого числа контактных площадок (по микросхемы, разъемы). Такие места называют узкими и применяют другие нормы. В узком месте допускается сужение проводников, но на возможно меньшей длине.

Проводники располагают равномерно по полной площади печатной платы с учетом следующих требований:

- параллельно линии координатной сетки или под углом, кратным 15 ^о;

- во взаимно перпендикулярных направлениях на соседних проводящих слоях платы;

- перпендикулярно касательной к контуру контактной площадки;

- параллельно направлению движения волны припоя (или перемещению в камере оплавления припойной пасты) или под углом к нему не более 30 ^о со стороны пайки, если проводящий рисунок не закрывают защитной маской.

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, причем проводниковые полосы на разных сторонах МО предпочтительно ориентировать перпендикулярно друг другу.

Паразитные электрические параметры проявляются: 1) как паразитная емкость между рядом лежащими проводниками и между проводником и экранным слоем, 2) как взаимная индуктивность их, 3) как индуктивность шин питания и 4) как разброс волнового сопротивления линии передачи внутрисхемных соединений (разброс проявляется для полос длиннее 100 мм).

Расчеты паразитных емкостных и индуктивных параметров рисунка тривиальны. Они основаны на расчете емкости плоского (для емкости между слоями) или гребенчатого (для емкости между соседними проводниками в одном слое) конденсатора [18]. Диэлектрическую проницаемость принимают . С достаточной точностью погонную емкость между слоями можно считать 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, увеличенные расстояния между проводниками. Микросхемы повышенной степени интеграции следует размещать непосредственно у контактов соединителей (разъемов). Неиспользованные контакты следует соединять с шиной заземления и располагать между сигнальными выводами. Индуктивность шин питания снижают путем увеличения их ширины до 5 мм.

Таблица 4.20

Величины в зависимости от

Переходное и контактное сопротивление зависит от металлических покрытий, применяемых для улучшения характеристик проводящих слоев. Величина переходных и контактных сопротивлений определяется приложенным напряжением, силой тока, типом металлического покрытия, толщиной слоя, конструкцией контактирующего устройства, загрязнениями и др.

Электрическое сопротивление печатных проводников с покрытием ( ), определяют по формуле

,

где - удельное электрическое сопротивление; - толщина печатного проводника с покрытием; - количество участков печатного проводника на длине , имеющих различную ширину; - длина -го участка (расчетная длина) печатного проводника шириной ; - ширина печатного проводника на -м участке.

При определении сопротивления печатного проводника, имеющего дополнительное покрытие толщиной менее 12 мкм с относительно высоким удельным сопротивлением (никелевым, оловянным, палладиевым), как правило, учитывают только сопротивление медного слоя, а сопротивление покрытий не принимают во внимание.

При толщине дополнительного покрытия более 12 мкм сопротивление печатного проводника определяют как сумму сопротивлений отдельных слоев.

Омическое сопротивление печатного проводника длиной , с поперечным сечением и удельным объемным сопротивлением определяется по формуле

, (4.4)

а погонное сопротивление проводника равно

.

Зависимость (4.4) связана с влиянием температуры и частоты. Температурная зависимость удельного объемного сопротивления определяется температурным коэффициентом (см. табл. 4.21).

Электрическое сопротивление печатного проводника с учетом влияния определяется по графику рис. 4.26 .

Нагрузочная способность по току.

Тепло возникающее в проводниках при протекании по ним тока, играет в тепловом балансе ФУ важную роль ( особенно в МПП), так как дополняет тепло, выделяемое навесными компонентами. Нагрузочная способность по току выбирается с использованием графика рис. 4.27. Допустимую токовую нагрузку на элементы проводящего рисунка следует выбирать из условия допустимого

превышения температуры печатного проводника над температурой окружающей

Таблица 4.21

Характеристики металлов проводников

среды. Например, для медного печатного проводника с параметрами = 35 мкм, = 1 мм при перегреве 20 ^о С нагрузочная способность по току составит примерно 3 А.

Значение допустимой токовой нагрузки следует уменьшать:

- на 15% для печатных проводников, расположенных на расстоянии, равном или меньшем их ширины;

- на 40% для печатных проводников из гальванически осажденной меди на тонкомерной фольге;

- на 50% для внутренних проводников МПП при большой плотности проводников;

- в 2 раза для печатных проводников из химически осажденной меди по аддитивной технологии.

Емкость проводников зависит от их геометрии и распределения электрического поля, а также относительной диэлектрической проницаемости материала МО. Значения зависят от температуры и частоты.

Для расчета погонной емкости несимметричной полосковой линии можно использовать выражение

.

Несимметричная полосковая линия может быть представлена проводниками на металлическом основании или проводниками двусторонней печатной платы. Электрическая постоянная имеет величину , Ф м ^-1 .

Для проводников поверхностных слоев необходимо учитывать, что эффективная диэлектрическая проницаемость не идентична , так как электрическое поле распространяется и по воздуху. Это особенно проявляется, когда отношение мало. Поэтому для поверхностно лежащих проводников

.

Обычные значения погонной емкости печатных проводников

пФ/см..

Емкость МО с системой печатных проводников определяется выражением:

,

где - суммарная площадь проводников на МО; для стеклотекстолита равна - 6,0.

Емкость, возникающая между соседними параллельными проводниками, вызывает нежелательные паразитные связи. Рассмотрим типичные случаи образования паразитных емкостей и их определение

для тонких МО: для толстых (обычных) МО: где - абсолютная диэлектрическая проницаемость. Величина зависит от отношения толщины проводника к его ширине.

Например, при S_пп = 0,035 мм, b = 0,15 мм, величины G ₁ = G ₂ = G ₃ = 1;

при S_п = 0,035 мм, b = 0,3 мм G ₁ = 1,6, G ₂ = 2,4, G ₃ = 6,0.

Индуктивность проводников в виде погонной индуктивности зависит от их геометрии и магнитной проницаемости материала. Материалы, применяемые для печатных плат не являются ферромагнитными и для них . При использовании стальных оснований .

Погонную индуктивность можно рассчитать по формуле

.

Обычные значения погонной индуктивности проводников печатных плат лежат в пределах 1....10 Гн/см.

Индуктивность двух параллельных проводников одинакового сечения с противоположными направлениями токов:

, мкГн.

Взаимная индуктивность проводников при определяется выражением:

, мкГн.