Печатные платы

Характерными тенденциями развития РЭА являются:
микроминиатюризация;
увеличение тепловыделения компонентов;
увеличение доли цифро-аналоговых устройств.

Преимущества печатного монтажа по сравнению с объёмным
Возможность автоматизации сборки аппаратуры
Повторяемость параметров
Поиск неисправностей проще
Уменьшение массы РЭА
Более высокая надёжность
защита от внешних факторов
Более низкая стоимость

Печатные платы
Односторонние (с проводящим рисунком на одной стороне)
Двусторонние (с проводящими рисунками на двух сторонах платы)
Многослойные (состоят из нескольких чередующихся слоёв диэлектрика и проводящего рисунка)
Гибкие (уменьшение веса, размера, возможность создания объёмных конструкций)

Классификация ПП по действующим в них сигналам
1. Цифровые платы (стеклотекстолит)
2. Аналоговые платы 2.1. Силовые (стеклотекстолит, металл)
2.2. Высокочастотные (препреги, спец. стеклотекстолит)
3. Цифро-аналоговые платы

Типовая двухсторонняя ПП

Основой печатной платы является подложка из стеклотекстолита. На поверхности стеклотекстолита находятся токопроводящий слой медной фольги. Типовая толщина проводника: 0,035 мм и 0,018 мм.
Стеклотекстолит – диэлектрик, представляет собой спрессованные листы стеклоткани, пропитанные эпоксидной смолой. (FR2, FR4)

Защитная маска – слой прочного материала, предназначенного для защиты проводников от попадания припоя и флюса при пайке, а также от перегрева. Маска закрывает основную часть поверхности платы и оставляет открытыми только контактные площадки, которые будут использоваться при пайке компонентов на плату.

Маркировка – наносится специальной краской на
поверхность платы, разрешение при этом до 0,1 мм.
Применяется маркировка для:
правильного монтажа компонентов на плату;
отладки платы;
повышения ремонтопригодности платы. Маркировка несет следующую информацию: контур компонента, его сокращенное название,
позиционное обозначение, полярность, первый
вывод и т.д.

Печатные платы с металлическим основанием
Для более эффективного отвода тепла от компонентов применяются ПП на материале с высокой теплопроводностью.
Как правило это металлические пластины ламинированные через слой диэлектрика медной фольгой.

Условия работы печатной платы
Действующие токи.
Действующие напряжения.
Частоты сигналов.
Климатические (зависимости от температуры).

Допустимые рабочие напряжения между элементами проводящего рисунка, расположенными на наружном слое ПП

Расстояния между элементами печатного монтажа
Классы точности – все изготовленные платы должны соответствовать определенному классу точности, который определяется комплексом технологических средств или оборудования. Сейчас применяют платы 3-5 классов точности.

3-й класс точности – толщина токопроводящей дорожки должна быть минимум 0,25мм. Расстояние между соседними дорожками (элементами печатного монтажа) 0,25мм.
4-й класс точности – толщина токопроводящей дорожки должна быть минимум 0,2мм. Расстояние между соседними дорожками (элементами печатного монтажа) 0,2мм.
5-й класс точности – толщина токопроводящей дорожки должна быть минимум 0,15мм. Расстояние между соседними дорожками (элементами печатного монтажа) 0,15мм.

Компоненты на печатных платах

Важно понимать, что для эффективной работы конденсатора
подавляемые им частоты должны находиться в более низком
диапазоне, чем частота собственного резонанса. В противном
случае характер реактивного сопротивления будет индуктивным,
а конденсатор перестанет эффективно работать.

Печатная плата - компонент схемы,
который вносит воздействия, оказывающие влияния на работу схемы.

Индуктивность проводника печатной платы:
Проводники на печатной плате обладают значениями индуктивности от 6 нГн до 12 нГн на 1см длины. Например, 10-сантиметровый проводник обладает сопротивлением 57 мОм и индуктивностью 8 нГн на 1 см. На частоте 100 кГц реактивное сопротивление становится равным 50 мОм, а на более высоких частотах проводник будет представлять собой скорее индуктивность, чем активное сопротивление.

Межслойная емкость:
Диэлектрическая постоянная для FR-4 равна 4,5.
Например, печатная плата может обладать следующими параметрами:
- 4 слоя; сигнальный и слой полигона земли - смежные,
- межслойный интервал - 0,2 мм,
- ширина проводника - 0,75 мм,
- длина проводника - 7,5 мм.
В результате получается значение емкости между слоями 1,1 пФ

Вывод: нужно избегать большого числа переходных
отверстий при разводке важных цепей.

Алгоритм разработки
Классифицировать плату согласно ТЗ, уточнить недостающую информацию;
Учёт конструкции корпуса устройства (высота, тепловые факторы, );
Выбор типа конструкции (количество плат, их соединение между собой, типы плат)
Выбор материала для печатной платы, структуры слоёв, толщины слоёв, наличия маски (критерии выбора).
Создание контура печатной платы.

Алгоритм разработки
Задание правил проектирования.
Размещение компонентов на плате, крепёжных отверстий, зон для установки дополнительных устройств, зон запрета для размещения компонентов и трассировки.
Трассировка печатной платы.
Добавление дополнительных надписей и дополнительных элементов для этапа отладки и настройки.

Алгоритм разработки
Проверка печатной платы на соответствие всем правилам проектирования и здравому смыслу.
Создание КД (перечень элементов, сборочный чертёж и т.д.)
Подготовка файла заказа печатной платы.
Отладка работы печатной платы.

Автоматизированное конструирование
Принцип сквозного проектирования
Связь с другими САПР
Средства глобального редактирования (библиотек, схем, плат)
Создание КД в самой системе Altium Designer (генерация отчётов, СБ)
Автоматизированная нумерация позиционных обозначений

Автоматизированное конструирование
Автоматическое размещение компонентов
Автоматическая трассировка
Работа с полигонами
Автоматическая прошивка переходными отверстиями (меньше путь тока, надёжнее связь между полигонами)
Автоматическое экранирование дорожек

Критерии размещения компонентов
1. Группировка компонентов по функциональным группам (усилительный каскад на транзисторе, микросхема с обвязкой, фильтр).
2. Аналоговая часть схемы размещается вблизи разъёма питания.
3. Аналоговая и цифровая части схемы размещаются отдельно.

4. Размещение с учётом минимизации длины линий
питания, земли, аналоговых ВЧ линий, линий
возвратных токов.
5. Размещение компонентов с учётом теплового
режима.
6. Размещение компонентов с учётом
электромагнитной совместимости (взаимное
расположения элементов с точки зрения
минимизации электромагнитных помех)
7.оптимальное / рациональное размещение
внешних выводов модулей;
8. Минимизация числа переходных отверстий.

С одной стороны необходимо обеспечить минимальные расстояния между компонентами. Но слишком близкое размещение компонентов приводит к:
снижению ремонтнопригодности;
затруднению проверки паяных соединений.

Трассировка печатной платы

IPC-7351A

Разводка линий питания звездой.
Разделение аналоговой и цифровой земли.

Практический опыт
Много переходных отверстий
Контрольные точки (проверка пайки, отладка изделий)
Проблемы с ключом разъёмов (номера контактных площадок)
Разные разъёмы для разных подключаемых устройств (защита)
Шелкография (позволяет избежать ошибок)
Многослойные платы (двоякость, контроль пайки)
Сложные контактные площадки
Добавлять теплоотводы в виде винтов и полигонов