4.Конструкторские расчеты.

Расчет печатного монтажа.

Для соединения радиоэлементов электрической схемы проектируемого устройства, в качестве базовой несущей конструкции выбираем двухстороннюю печатную плату. Учитывая, что при проектировании ПП используются интегральные схемы, а также высокий уровень насыщенности ПП навесными элементами по ГОСТ 23751-86 выбираем четвертый класс точности.

В соответствии с тем, что максимальный диаметр выводов навесных элементов, размещаемых на плате, равен 0,9 мм (конденсаторы), то выбираем толщину платы равной 1,5 мм.

Электрические соединения осуществляются пайкой. Для пайки элементов применяют припой ПОС-61 ГОСТ 21931-76 и флюс ФКСп ОСТ 4Г0.033.200.

Двусторонняя печатная плата изготавливается комбинированным позитивным методом. Материал для изготовления печатной платы – стеклотекстолит фольгированный СФ-2Н-50Г-1.5 (ГОСТ 10317-79, ОСТ 4.010.020-83).

Для рациональной компоновки проведем расчет элементов конструкции печатной платы в соответствии с ГОСТ 23751-86.

Размер печатной платы в соответствии с ГОСТ 10317-79 равен 80100мм. Метод изготовления двусторонней печатной платы - комбинированный позитивный, по четвертому классу точности.

Исходные данные:

1. расчетная толщина печатной платы H_Р, мм 1,5;

2. толщина фольги h, мм 0,05;

3. диаметры выводов радиоэлементов: D_выв1, мм 0,3,

D_выв2, мм 0,5,

D_выв3, мм 0,6,

D_выв4, мм 0,7;

D_выв5, мм 0,9;

4. максимальный постоянный ток I_max, А 0,4;

5. напряжение питания U, В 12;

6. допустимая плотность тока i_доп, А/мм² 38;

7. наибольшая длина проводника L, м 0,0225.

При проведении расчета будут использованы коэффициенты, допуски, параметры, которые соответствуют четвертому классу точности изготовления двусторонних печатных плат по ГОСТ 23751-86.

Расчет по постоянному току

Допустимое падение напряжения на проводниках не должно превышать 5% от питающего напряжения

U_dop = U0,05 = 120,05 = 0,6 В, (26)

Определяем минимальную ширину печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления

мм, (27)

Определяем минимальную ширину печатного проводника исходя из допустимого падения напряжения на нем

мм, (28)

где  - удельное объемное сопротивление материала проводника, Оммм²/м. Для меди =0,0175 Оммм²/м.

Для стабильной работы печатных проводников их ширина должна быть больше b_min1 и b_min2. Минимальная ширина проводника, которую можно получить при использовании комбинированной позитивной технологии равна 0,15 мм, что превышает значение b_min2. Ширина проводников питания и заземления равна: b = 1,5 мм.

Конструктивно-технологический расчет.

В печатных платах применяются монтажные металлизированные отверстия для установки ЭРЭ и переходные металлизированные отверстия для создания электрических связей между слоями. Диаметр монтажного отверстия должен быть больше диаметра выводов навесных элементов на величину, удовлетворяющую условиям пайки и автоматической сборки ячеек.

Определяем номинальное значение диаметров монтажных отверстий:

d_ном1 = D_выв+|d_н.о|+Δ_з, (29)

где D_выв – максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ;

d_н.о. – нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия,

Δ_з – разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, (0,1…0,4) мм, принимаем Δ_з=0,1мм.

d_ном1 = D_выв1 + 0,05 + 0,1 = 0,3 + 0,05 + 0,1 = 0,45 мм; (30)

d_ном2 = D_выв2 + 0,05 + 0,1 = 0,5 + 0,05 + 0,1 = 0,65 мм, (31)

d_ном3 = D_выв3 + 0,05 + 0,1 = 0,6 + 0,05 + 0,1 = 0,75 мм, (32)

d_ном4 = D_выв4 + 0,05 + 0,1 = 0,7 + 0,05 + 0,1 = 0,85 мм, (33)

d_ном5 = D_выв5 + 0,05 + 0,1 = 0,9 + 0,05 + 0,1 = 1,05 мм, (34)

Определим диаметр сверла:

D_св1 = d_ном1 + (0,10,5) = 0,45 + 0,1 = 0,55 мм; (35)

D_св2 = d_ном2 + (0,10,5) = 0,65 + 0,1 = 0,75 мм, (36)

D_св3 = d_ном2 + (0,10,5) = 0,75 + 0,1 = 0,85 мм, (37)

D_св4 = d_ном2 + (0,10,5) = 0,85 + 0,1 = 0,95 мм, (38)

D_св5 = d_ном2 + (0,10,5) = 1,05 + 0,1 = 1,15 мм, (39)

Принимаем D_св1 = 0,6мм; D_св2 = 0,8мм; D_св3 = 0,9мм; D_св4 = 1,0мм; D_св5 = 1,2мм.

Максимальный диаметр просверленного отверстия:

D_max1 = D_св1 + D = 0,6 + 0,02 = 0,62 мм; (40)

D_max2 = D_св2 + D = 0,8 + 0,02 = 0,82 мм, (41)

D_max3 = D_св3 + D = 0,9 + 0,02 = 0,92 мм; (42)

D_max4 = D_св4 + D = 1,0 + 0,02 = 1,02 мм, (43)

D_max5 = D_св5 + D = 1,2 + 0,02 = 1,22 мм; (44)

где - погрешность, обусловленная биением и заточкой сверла (0,02...0,03);

Диаметры металлизированных отверстий: D_0ном1 = 0,6 мм; D_0ном2 = 0,8 мм; D_0ном3 = 0,9 мм; D_0ном4 = 1,0 мм; D_0ном5 = 1,2 мм.

Определяем минимальный диаметр металлизированного переходного отверстия.

Для максимального уплотнения монтажа диаметр переходных отверстий выбирается наименьшим. Однако в связи ограниченной рассеивающей способностью электролитов при гальванической металлизации необходимо выдерживать предельное соотношение между минимальным диаметром металлизированного отверстия и толщиной платы:

D_Mmin  H_Рv = 1,50,33 = 0,495 мм, (45)

где H_Р - расчетная толщина печатной платы;

v - коэффициент, характеризующий отношение диаметра отверстия к толщине пластины.

Так как число отверстий с различным диаметром должно быть минимальным, то принимаем диаметр переходного отверстия равным:

D_M = 0,5 мм.

Определяем диаметры контактных площадок. Минимальный эффективный диаметр контактных площадок:

мм; (46)

мм, (47)

мм, (48)

мм, (49)

мм, (50)

где b_M - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (гарантийный поясок), мм;

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

D_max - максимальный размер просверленного отверстия, мм.

D_0max = D_0ном + Δd + (0,1…0,15), (51)

где Δd - допуск на отверстие, мм, Δd = 0,1

D_0ном - номинальный диаметр металлизированного отверстия, мм;

D_0max1 = D_0ном1 + 0,05 + 0,1 = 0,6 + 0,05 + 0,1 = 0,75 мм; (52)

D_0max2 = D_0ном2 + 0,05 + 0,1 = 0,8 + 0,05 + 0,1 = 0,95 мм. (53)

D_0max3 = D_0ном3 + 0,05 + 0,1 = 0,9 + 0,05 + 0,1 = 1,05 мм. (54)

D_0max4 = D_0ном4 + 0,05 + 0,1 = 1,0 + 0,05 + 0,1 = 1,15 мм. (55)

D_0max5 = D_0ном5 + 0,05 + 0,1 = 1,2 + 0,05 + 0,1 = 1,35 мм. (56)

Минимальный диаметр контактных площадок, при покрытии олово-свинец:

D_min1 = D_1min + 1,5h_r = 1,12 + 1,50,05 = 1,195 мм; (57)

D_min2 = D_2min + 1,5h_r = 1,32 + 1,50,05 = 1,395 мм, (58)

D_min3 = D_4min + 1,5h_r = 1,42 + 1,50,05 = 1,495 мм, (59)

D_min4 = D_4min + 1,5h_r = 1,52 + 1,50,05 = 1,595 мм, (60)

D_min5 = D_5min + 1,5h_r = 1,72 + 1,50,05 = 1,795 мм, (61)

где h_r - толщина металлорезиста, мм.

Максимальный диаметр контактных площадок отверстий:

D_max= D_min + (0,02…0,06), (62)

где D_min- минимальный диаметр контактной площадки.

D_max1 = D_min1 + 0,05 = 1,195 + 0,05 = 1,245 мм; (63)

D_max2 = D_min2 + 0,05 = 1,395 + 0,05 = 1,445 мм. (64)

D_max3 = D_min3 + 0,05 = 1,495 + 0,05 = 1,545 мм. (65)

D_max4 = D_min4 + 0,05 = 1,595 + 0,05 = 1,645 мм. (66)

D_max5 = D_min5 + 0,05 = 1,795 + 0,05 = 1,845 мм. (67)

Округляем максимальный диаметр контактных площадок до значений равных: D_max1 =1,3мм, D_max2 =1,5мм, D_max3 =1,6мм, D_max4 = 1,7мм, D_max5 =1,9мм.

Определяем минимальную ширину сигнального проводника.

t_min= t_min1 + 1,5h + t = 0,15 + 1,50,05 + 0,05 = 0,275 мм, (68)

где t = 0,05 – допуск на ширину проводника, мм;

t_min1 = 0,15 мм – минимальная эффективная ширина проводника, мм.

При формировании проводников на фольгированном диэлектрике их минимально допустимая в производстве ширина определяется, прежде всего, адгезионными свойствами материала основания и гальваностойкостью оксидированного слоя фольги, так как браком является даже частичное отслаивание проводника от основания диэлектрика. Поэтому минимальную эффективную ширину t_min1 выбирают в соответствии с классом точности печатных плат по ГОСТ 23751-86.

Максимальная ширина сигнального проводника

t_max = t_min + (0,02…0,06) = 0,275 + 0,02 = 0,295 мм, (69)

Округляем максимальную ширину сигнального проводника до значения равного: t_max= 0,3 мм.

Определяем минимальное расстояние между элементами проводящего рисунка.

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой первого типа:

(70)

где L_E = 1,25 мм – расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

δ_l = 0,3 мм – допуск на расположение проводников;

δ_Р = 0,15 мм – допуск на расположение контактных площадок.

мм; (71)

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой второго типа:

(72)

где L_E = 1,25 мм – расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

δ_l = 0,3 мм – допуск на расположение проводников;

δ_Р = 0,15 мм – допуск на расположение контактных площадок.

мм; (73)

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой третьего типа:

(74)

где L_E = 1,25 мм – расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

δ_l = 0,3 мм – допуск на расположение проводников;

δ_Р = 0,15 мм – допуск на расположение контактных площадок.

мм; (75)

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой первого типа:

(76)

где L_E = 1,25 мм – расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

δ_l = 0,3 мм – допуск на расположение проводников;

δ_Р = 0,15 мм – допуск на расположение контактных площадок.

мм; (77)

Минимальное расстояние между сигнальным проводником и контактной площадкой первого типа:

(78)

где L_E = 1,25 мм – расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

δ_l = 0,3 мм – допуск на расположение проводников;

δ_Р = 0,15 мм – допуск на расположение контактных площадок.

мм; (79)

Минимальное расстояние между двумя сигнальными проводниками:

S_6min1 = L_E – (t_max + 2₁), (80)

S_6min1 = 1,25 – (0,3 + 20,03) = 0,89 мм.

Минимальное расстояние между проводником питания и сигнальным проводником:

, (81)

мм. (82)

При комбинированном позитивном способе изготовления печатной платы зазор между проводниками должен быть не менее 0,15 мм.

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками.

, (83)

где L₂= 2,5 мм – расстояние между центрами рассматриваемых элементов.

мм; (84)

мм; (85)

мм; (86)

мм; (87)

мм. (88)

Минимальное расстояние для прокладки проводников в магистральном канале между двумя контактными площадками металлизированных отверстий:

, (89)

где D_1max, D_2max – диаметры металлизированных отверстий;

N = 1 – число проводников в магистральном канале;

S – номинальное расстояние между проводниками, S = 0,15 мм.

мм. (90)

На основании расчетов выполним трассировку.