4.2 Расчет печатного монтажа

Для соединения элементов электрической схемы электронного ключа между собой в качестве базовой несущей конструкции была выбрана двухсторонняя печатная плата размером 6080, выполненная комбинированным позитивным методом из стеклотекстолита фольгированного СФ-2Н-50Г-1,5 (ГОСТ 10316-78) по четвертому классу точности.

Исходные данные:

- толщина платы, мм 1,5;

- максимальный ток, протекающий в проводнике, I_max, мА 200;

- толщина фольги h, мм 0,05;

- допустимая плотность тока i_доп, А/мм² 38;

- удельное сопротивление печатного проводника , Оммм²/м 0,0175;

- максимальная длина печатного проводника ℓ, м 0,07;

- напряжение питания для микросхем U_п, В 6;

- шаг координатной сетки, мм 1,25.

Основные конструктивные параметры печатных плат для четвертого класса точности (ГОСТ 23751-86):

• минимальное значение номинальной

ширины проводника t_1min, мм 0,15;

• допуск на ширину проводника без покрытия t, мм ±0,03;

• допуск на расположение отверстий _d, мм 0,05;

• допуск на расположение контактных площадок _p, мм 0,15;

• гарантийный поясок b_м на наружном слое, мм 0,05;

• номинальное расстояние между проводниками S,мм 0,15;

• допуск на расположение проводников на ДПП _l, мм 0,03;

• допуск на отверстие d с металлизацией, Д_выв≤1 мм ;

• то же, Д_выв>1 мм ;

• допуск на отверстие d без металлизации, Д_выв≤1 мм ±0,05;

• то же, Д_выв>1 мм ±0,01.

4.1.1 Расчет по постоянному току

Минимальная ширина печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

,

где I_max - максимальный постоянный ток протекающий в проводнике, А;

i_доп - допустимая плотность тока, А/мм²;

h - толщина проводника, мм,

.

Минимальная ширина проводника, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

где  - удельное сопротивление, Оммм²/м;

ℓ - длина проводника, м;

U_доп - допустимое падение напряжения, В.

U_доп не должно превышать 5% питающего напряжения микросхем, следовательно: U_доп =U_n∙5%=6∙0,05=0,3В.

.

Значения минимальной ширины печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления b_min1 и минимальной ширины проводника, исходя из допустимого падения напряжения на нем b_min2 по ГОСТ 2375-86 не должны быть меньше рассчитанных значений. Исходя из технических особенностей производства плат по 4 классу точности, выбираем ширину проводника равную 0,15 мм. Это значение больше чем b_min1 и b_min2.При данной ширине проводника печатная плата будет работать стабильно.

4.1.2 Расчет по переменному току

Расчет по переменному току не проводится из-за низкой частоты работы схемы, т.е. влиянием паразитных емкостей и индуктивностей проводников можно пренебречь.

4.1.3 Конструктивно-технологический расчет

Номинальное минимальное значение диаметров монтажных отверстий определяется по формуле:

Д_min=Д_выв+d_н.о.+з,

где Д_выв – максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;

d_н.о – нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия. Для 4-го класса точности печатных плат при диаметре отверстия, меньшем либо равно 1мм, d=0,1 мм.

з – разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, ее выбирают в пределах 0,1..0,4 мм. Примем з=0,1 мм.

Отверстия для выводов транзисторов КТ502Б, КТ342А (VT1 и VT2) и микросхемы К561ЛА7 (DD1) при Д_выв= 0,5 мм:

Д_min1^*=0,5+0,1+0,1=0,7 мм.

Отверстия для выводов диодов КД522Б (VD1-VD9) при Д_выв= 0,588 мм:

Д_min2^*=0,588+0,1+0,1=0,788 мм.

Отверстия для выводов микросхем К561ИЕ10, К561ИЕ8 (DD2, DD3-DD4) при Д_выв= 0,59 мм:

Д_min3^*=0,59+0,1+0,1=0,79 мм.

Отверстия для выводов резисторов МЛТ-0,125 (R1-R7) , конденсаторов К52-1А, К53-4А (С1-C2, C3) при Д_выв=0,7 мм:

Д_min4^*=0,7+0,1+0,1=0,9 мм.

Отверстие для выводов конденсатора К50-6 (C4) при Д_выв=0,9 мм:

Д_min5^*=0,9+0,1+0,1=1,1 мм.

Отверстие для кварцевого резонатора РК124А-32768 Гц (ZQ1) при Д_выв=1,3мм и d=0,15 мм (т.к. диаметр отверстия больше 1мм):

Д_min6^*=1,3+0,15+0,1=1,55 мм.

Для обеспечения минимизации числа различных диаметров монтажных отверстий полученные значения диаметров необходимо округлить. Тогда, выбирая из ряда предпочтительных размеров, получим следующий набор диаметров – Д_min1=Д_min2=Д_min3=0,8мм; Д_min4=1мм; Д_min5=1,3мм; Д_min6=1,8мм.

Номинальное максимальное значение диаметров монтажных отверстий:

Д_max=Д_min+d+(0,1..0,15)

Вычислим номинальные максимальные значения диаметров монтажных отверстий для минимальных диаметром 0,8; 1; 1,3; 1,8 мм:

Д_max1=0,8+0,05+0,1=0,95 (мм);

Д_max2= 1+0,05+0,1=1,15 (мм);

Д_max3= 1,3+0,1+0,1=1,5 (мм);

Д_max4= 1,8+0,1+0,1=2 (мм).

Минимальный диаметр металлизированных переходных отверстий найдём из условия:

Д_мmin ≥ H_расч·ν,

где H_расч – расчётная толщина платы (H_расч =1,5 мм);

ν – отношение диаметра отверстия к толщине платы, ν ≥0,33.

Следовательно:

Д_мmin^*= 1,5·0,33 =0,495 мм.

С учетом требования минимизации количества различных диаметров отверстий сводим рассчитанное значение к значению из ряда предпочтительных размеров.

Д_мmin= 0,8 мм (данное значение должно быть не больше половины расчётной ширины платы, т.е. не больше 0,8 мм).

Расчёт диаметров контактных площадок

Эффективный минимальный диаметр контактных площадок для всех видов отверстий вычисляется по формуле:

,

где b_м - гарантийный поясок, мм;

_d и _p - допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм;

Д_max - максимальный диаметр просверленного отверстия:

Вычислим значения эффективных минимальных диаметров контактных площадок для монтажных отверстий с максимальными значениями диаметров 0,95; 1,15; 1,5; 2,0 мм:

(мм);

(мм);

(мм);

(мм).

2) Минимальный диаметр контактных площадок для всех видов отверстий при оплавляемом покрытии олово – свинец вычисляется по формуле:

,

где h_г – толщина гальванической меди. По поверхности проводников плат средних размеров h_г =0,05мм;

Д_minКП – эффективный минимальный диаметр контактной площадки.

Вычислим значения минимальных диаметров контактных площадок при оплавляемом покрытии олово – свинец для отверстий с эффективными минимальными значениями диаметров контактных площадок 1,45; 1,65; 2,0; 2,5мм:

(мм);

(мм);

(мм);

(мм).

3) Максимальный диаметр контактной площадки определим по формуле:

Д_maxКП=Д_min1+0,05.

Вычислим значения максимальных диаметров контактных площадок для отверстий со значениями минимальных диаметров контактных площадок при покрытии олово – свинец 1,525; 1,725; 2,075; 2,575 мм:

Д_maxКП1^*=1,525+0,05=1,575 (мм);

Д_maxКП2^*=1,725+0,05=1,775 (мм);

Д_maxКП3^*=2,075+0,05=2,125 (мм);

Д_maxКП3^*=2,575+0,05=2,625 (мм).

Для обеспечения минимизации числа различных диаметров отверстий полученные значения диаметров сведём к значениям из ряда предпочтительных размеров:

Д_maxКП1=1,6 мм;

Д_maxКП2=2,0 мм;

Д_maxКП3=2,3 мм;

Д_maxКП4=2,7 мм;

Результаты расчетов сведены в таблицу 5.

Таблица 5 – результат расчета диаметров

ЭРЭ	Двыв, мм	Дmin^*, мм	Дmin, мм	Дmax, мм	ДminКП, мм	Дmin1, мм	ДmaxКП^*, мм	ДmaxКП, мм
VT1-VT2 DD1	0,5	0,7	0,8	0,95	1,45	1,525	1,575	1,6
VD1-VD9	0,588	0,788
DD2-DD4	0,59	0,79
R1-R7 С1-C3	0,7	0,9	1,0	1,15	1,65	1,725	1,775	2,0
С4	0,9	1,1	1,3	1,5	2,0	2,075	2,125	2,3
ZQ1	1,3	1,55	1,8	2,0	2,5	2,575	2,625	2,7

Минимальная ширина сигнального проводника:

t_min=t_{1 min}+1,5h_г+t,

где t_1min - минимальная эффективная ширина проводника (0,15 мм);

t - допуск на ширину проводника без покрытия (0,03 мм).

t_min=0,15+1,5·0,05+0,03=0,255 мм

Максимальная ширина проводника:

t_max=t_min+0,02;

t_max=0,255+0,02=0,275≈0,3 мм.

Расчёт элементов проводящего рисунка

1) Минимальный зазор между сигнальным проводником и контактной площадкой:

,

где L_э - расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

_l - допуск на расположение проводника, мм.

Вычислим значение для контактной площадки диаметром , равными 1,6 мм, при Lэ=1,25мм:

(мм).

Для , равными 2,0; 2,3; 2,7 мм, при Lэ=2,5мм:

(мм);

(мм);

(мм).

Результаты расчета показывают, что, минимальное расстояние между любыми из используемых сигнальным проводником и контактной площадкой диаметром 1,6 мм, должно быть больше или равно 1,25 мм, а при контактных площадках диаметрами 2,0; 2,3; 2,7 мм, минимальное расстояние должно быть не меньше 2,5 мм.

2) Минимальный зазор между двумя проводниками равен:

S_2min=L_Э–(t_max+2₁).

При Lэ=1,25мм:

S_2min=1,25-(0,3+20,03)=0,89(мм).

Таким образом, любые два (из используемых) проводника могут быть проведены на расстоянии 1,25 мм.

3) Минимальный зазор между двумя контактными площадками:

S_3min=L_Э –(D_maxКП+2_P).

Вычислим значения S_3min для диаметров , равных 1,6; 2,0; 2,3; 2,7 мм, при Lэ=2,5мм:

S_3min1=2,5-(1,6+20,15)=0,6 (мм);

S_3min2=2,5-(2,0+20,15)=0,2 (мм);

S_3min3=2,5-(2,3+20,15)=-0,1 (мм) → S_3min3=3,75-(2,3+20,15)=1,15 (мм);

S_3min4=2,5-(2,7+20,15)=-0,5 (мм) → S_3min4=3,75-(2,7+20,15)=0,75 (мм).

Из выше приведенного расчета видно, что на расстоянии 2,5 мм могут находиться лишь отверстия с диаметром контактной площадки не выше 2,0мм. При диаметре контактных площадок отверстий, равном 2,3; 2,7 мм, расстояние между контактными площадками должно быть не менее 3,75мм.

Таким образом, расчет показывает, что расстояние между элементами проводящего рисунка больше минимально допустимого значения и параметры печатного монтажа отвечают требованиям четвертого класса точности.