Таблица 4

3. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

3.1 Определение требований к печатной плате

Исходными данными курсового проекта является аддитивный метод изготовления печатной платы. Исходя из этого, в качестве материала печатной платы выбираем стеклотекстолит теплостойкий армированный с алюминиевым протектором(СТПА-5-1), который имеет следующие параметры:

1) толщина фольги, мкм 5;

2) толщина материала, мм 0,1…2;

3) Поверхностное сопротивление, Ом 5*1011;

4) удельное объемное сопротивление, Ом 1*1011;

5) прочность отделения 3 мм полоски фольги от

6) диэлектрического основания, Н 3,6;

7) водопоглощение, % мг менее 15;

8) стойкость к воздействию ванны для пайки °С/°с 260/30.

Определим общую требуемую площадь печатной платы. Для этого рассчитаем площади всех установленных элементов:

1. SDD1-DD5 =(19.5x7.5)х5=731.25 мм2;

2. SHG1-HG5 = (39.2x22.9)х5=4488.4мм2;

3. SR1-R25=(2.2x6)x25=330мм2;

4. Sх1= (2.54х2.54)х11 = 70.96 мм2.

Общая площадь установленных элементов определяется по формуле

S=?Sэл-ов; (1)

S=731.25+4488.4+330+70.96 = 5620.61мм2;

Для определения окончательно требуемой площади печатной платы умножим площадь элементов на коэффициент заполнения. Коэффициент заполнения может лежать в интервале от 1,5 до 3.

Выберем значение К=3 для оптимального заполнения и теплоотвода.

S=SппxK=1780.6324x3?16861.83мм2;

На основании данной площади рассчитаем размеры сторон печатной платы. На основании п.5.1.2 ГОСТ Р 53.429-2009 «Печатные платы. Основные параметры конструкции» стороны должны быть кратны 2,5 мм, следовательно, стороны равны 175x100.

На основании расчетов ширины печатных проводников, диаметров отверстий, приведенных в п. 4.1ПЗ, и ГОСТ Р53.429-2009«Платы печатные. Основные параметры конструкции» устанавливаем 3-й класс точности печатной платы.

Длятретьего класса точности устанавливаем:

1) Расстояние между проводниками, мм 0,25;

2) Предельное отклонение размеров проводящего рисунка, мм±0,10;

3) Позиционный допуск расположения печатного проводника, мм 0,05;

4) Предельные отклонения диаметров отверстий:

- до 1 мм +0.. -0,10;

- свыше 1 мм +0,05.. -0,15;

5) Гарантийный поясок меди контактной площадки, мм 0,10;

6) Предельные отклонения ширины печатного

7) проводника, контактной площадки, концевого

8) печатного контакта ±0,05 мм;

9) Значения допустимых рабочих напряжений между

10) между элементами проводящего рисунка, расположенных:

11) - в соседних слоях печатной платы 50 В;

12) Допустимую токовую нагрузку на элементы

13) проводящего рисунка 100 А/мм2.

3.2 Описание сборочного чертежа печатной платы. Требования к формовке выводов, лужению и пайке

Сборочный чертеж печатной платы представлен в графической части. Лист 2. Для изготовления «Часов - будильника с матричным светодиодным индикатором. Схема индикации» был выбран аддитивный метод изготовления печатной платы. Для выполнения трассировки было решено изготавливать одностороннюю печатную плату. Материал был выбран стеклотекстолит теплостойкий армированный с алюминиевым протекторомСТПА-5-1. Согласно расчетам, приведённым в пункте 3.1, печатная плата имеет размеры 175х100 мм. Толщина диэлектрического основания платы была выбрана 1мм.

При размещении элементов на печатной плате был применен системный подход, так как было необходимо с одной стороны обеспечить плотную компоновку элементов, а с другой обеспечить наилучшие условия для трассировки, так как в схеме присутствуют 5 интегральных схем. В итоге было выбрано размещение элементов без применения регулярной структуры.

Монтаж элементов на плате проводить в соответствии с требованием ГОСТ 29.137-91 «Формовка выводов и установка изделий электронной техники на печатные платы». Поэтому минимальный размер от корпуса до места изгиба при формовке вывода установлен:

-Для резисторов, конденсаторов 0,5 мм;

-Для микросхем 1,0 мм;

-Для полупроводниковых приборов 2,0 мм;

Минимальный внутренний радиус изгиба вывода,мм:

-для вывода толщиной до 0,5 мм, включительно 0,5;

-для вывода толщиной от 0,5 до 1,0, включительно 1,0;

-для вывода толщиной свыше 1,0 1,5;

При обрезке выводов нужно учитывать, что за основания платы выводы должны выступать не менее чем по 1 мм с каждой стороны. В нашем случае, при толщине печатной платы 1 мм длина ножек должна быть не менее 3-4 мм.

Пайку проводить в соответствии с требованиями ГОСТ 23.592-96 «Общие требования к объемному монтажу изделий электронной технике и электротехнических». При пайке элементов следует использовать припой ПОС-61 в соответствии с ГОСТ 21.930. Температуру паяльника установить в пределах от 240 до 280 ?С. Время пайки на должно превышать 5с. Использовать флюс-гель марки ТТ.

4. РАСЧЁТНЫЙ РАЗДЕЛ

4.1 Расчет электрических и конструктивных параметров элементов печатной платы

Расчет электрических и конструктивных параметров состоит из расчета диаметров монтажных и переходных отверстий, контактных площадок, ширины печатного проводника и падения напряжения на печатном проводнике.

При компоновке радиоэлектронной аппаратуры должны быть учтены требования оптимальных функциональных связей между модулями, их устойчивость и стабильность, требования прочности и жесткости, помехозащищенности и нормального теплового режима, требования технологичности, эргономики, удобства эксплуатации и ремонта.

Также необходимо учитывать дополнительные требования: длина печатных проводников должна быть минимальна; количество пересечений печатных проводников должно быть минимально.

Диаметр монтажного отверстия рассчитывается по формуле:

dотв>dв + ? + 2hг + дд

где dв - диаметр вывода элемента, мм;

? - зазор между выводом и монтажным отверстием, 0,5 мм;

hг - толщина гальванически наращенной меди, 0,005 мм;

дд - погрешность диаметра отверстия, ±0,01мм.

Рассчитаем диаметры отверстий для каждой группы элементов. Группы были созданы по принципу диаметра вывода. Таким образом было создано 3 группы отверстий.

Диаметр монтажного отверстия для DD1-DD2,HG1-HG5

dотв=0,5+0,5+2х0,005+0,01=1,02 мм;

Диаметр монтажного отверстия для R1-R25

dотв=0,6+0,5+2х0,005+0,01=1,12 мм;

Диаметр монтажного отверстия для X1

dотв=0,64+0,5+2х0,005+0,01=1,16 мм.

Диаметр контактной площадки рассчитывается по формуле 3:

dкп = dотв + 2b + c,

где dотв - диаметр монтажного отверстия;

b - минимально необходимая радиальная ширина кольца, 0,55 мм;

с - технологический коэффициент погрешности производства, ±0,05 мм.

Диаметр контактной площадки дляDD1-DD2,HG1-HG5

dкп=1,02+1,1+0,1=2,22 мм;

Диаметр контактной площадки дляR1-R25

dкп=1,12+1,1+0,1=2,32 мм;

Диаметр контактной площадки дляX1

dкп=1,16+1,1+0,1=2,36 мм.

Для определения ширины печатного проводника необходимо расчитать суммарный ток. Для этого перечислим ток потребления для каждого элемента

1. КР1533ИР8 - 27мА;

2. TA12-11EWA - 30мА;

3. МЛТ 0,125 - 0.625мкА.

Суммарный ток, проходящий по печатному проводнику, рассчитывается по формуле:

I=I1+I2+…+In

I=27*10-3*5+30*10-3*5+0.625*10-6*25= 285.015мА?0,285 А

Ширина печатного проводника рассчитывается по формуле:

t ?I/ гдоп*h

где h- толщина проводника, 0.005 мм;

гдоп-допустимая плотность тока, 100 А/мм2;

h- Толщина печатного проводника, мм;

I-ток проходящий через печатный проводник, А.

t=0.285/100*0.005=0.00057=0.57 мм.

Исходя из значения толщины печатного проводника согласно ГОСТ 53.429-2009 «Платы печатные. Параметры и конструкции» по таблице №3 ГОСТа выбираем класс точности 3.

Рассчитаем сопротивление проводника.

Сопротивление печатного проводника рассчитывается по формуле:

R=?*(Ln/t*h)

где Ln - длина печатного проводника,мм;

с - удельное электрическое сопротивление проводника, 0,02ОмЧмм2/м;

t - ширина печатного проводника, мм;

h - толщина печатного проводника, мм.

R=0.02*(0.23/(0.57*0.005))=1.61 Ом.

Падение напряжения рассчитаем по формуле:

U= гдоп* ?* Ln

U=100*0,02*0,23=0,46 В;

4.2 Расчёт надёжности

4.2.1 Уточнённый расчёт надёжности

Чтобы рассчитать уточнённый расчёт надёжности нужно:

- элементы системы разбить на группы с одинаковым отказом (л0i);

- посчитать число элементов в каждой группе (Ni).

- рассчитать коэффициент нагрузки для электро-радио элементов (Кн). По справочнику определить коэффициент режимов (Кр) в зависимости отКн и температуры:Кр= f (Кн , t).

- рассчитать лэдля интегральных микросхем:

лэимс = л0i *лэ *Ксл*Кпопр

- рассчитать интенсивность отказа лэ для

ЭРЭ: лээрэ= л0i *Кэ*Кр

- вычислить лсистему:

лс = эi* Ni

где Ni - количество элементов в группе;

- рассчитать среднюю наработку до первого отказа tср:

tср=1/лс;

- рассчитать вероятность безотказной работыP(t) и построить график:

P(t)=e-лс * t.

Пайка: 5*14+5*12+25*2+11*1= 191

лс= 15.565*10-6(1/час)

tср=1/лс=1/15.565*10-6= 64246.71 (часа)

P(1) = = e^(-15.565*10-6*0)= 0

P(10*103) = = e^(-15.565*10-6*10*103)= 0,8507

P(20*103) = = e^(-15.565*10-6*20*103)= 0,7237

P(30*103) = = e^(-15.565*10-6*30*103)= 0,6157

P(40*103) = = e^(-15.565*10-6*40*103)= 0,5238

P(50*103) = = e^(-15.565*10-6*50*103)= 0,4456

P(50*103) = = e^(-15.565*10-6*60*103)= 0,3679

P(64246.71) = = e^(-15.565*10-6*64246.71)= 0,3679

По полученным данным построим график:

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

5.1 Описание метода изготовления печатной платы

Аддитивным методом изготавливаются прецизионные ДПП на нефольгированном основании по 1-му классу точности. В отличии от субтрактивных методов в аддитивном методе применяются нефольгированные диэлектрик, на который селективно осаждают медь. Толщина химически осажденной меди составляет порядка-2,8 10-8Ом м(выше чем у гальванической 1,75 10-8Ом м), относительное удлинение-4…6%, прочность сцепления с диэлектриком- не менее 0,4Н/3мм.

При аддитивном методе в качестве материала основания ДПП применяют

нефольгированный стеклотекстолит:

- с клеевыми пленками (адгеионными) на поверхности типа СТЭФ;

- с введенными в объем диэлектрика катализатором, который способствует

осаждению меди на диэлектрик - типа СТАМ;

- с эмалью.

Преимущества аддитивного метода:

– Высокий класс точности - 5-й;

– Равномерность меди на поверхности и в отверстиях при отношении толщины ДПП к диаметру отверстия 10:1;

– Короткий технологический цикл;

– Сокращение количества оборудования по сравнению с субтрактивными методами;

– Снижение расхода меди, так как ее осаждают селективно в соответствии с рисунком ДПП;

– Возможность использования для химического меднения солей меди из травильных отходов.

К недостаткам аддитивного метода относится:

– Высокое удельное электрическое сопротивление химической меди;

– Наличие адгезионного слоя на поверхности, подверженного старению;

– Тенденции химической меди к растрескиванию под воздействием сильных термических ударов и т.д.

По способу получения печатных проводников аддитивный метод делится на химический и химико-гальванический.

В химическом методе на каталитически активный участок восстанавливается медь из расствора. Скорость осаждения меди 2-4 мкм в час.

Химико-гальванический метод при котором химическим способом выращивается тонкий слой по всей поверхности платы(от 1 до 5 мкм), а затем избирательно усиливается электролитическим осаждением. Тонкий слой служит для электрического соединения всех элементов платы.

Учитывая метод изготовления, проведем анализ и выбор применяемого оборудования, основных материалов и технологических изготовления печатной платы.

1. Входной контроль нефольгированного огнестойкого диэлектрика

На этом этапе по ГОСТ 10316-78 контролируются технологические свойства материалов, проводятся испытания на пробивку отверстий, сверление отверстий, штампуемость, наличие вздутий и расслоений. Диэлектрик должен быть монолитным по структуре и не иметь внутренних пузырей, раковин, посторонних включений, сколов, трещин и расслоений.

2. Нарезка заготовок и получение чистового контура печатной платы

Нарезка заготовок и чистовая обработка контура печатной платы осуществляется на станке алмазной резки. Резка выполняется алмазным отрезным гальваническим кругом со скоростью 2400 - 4200 м/мин, а подача материала осуществляется со скоростью 3 - 6 м/мин.

3. Сверление отверстий под металлизацию.

Учитывая то, что печатная плата имеет 5 класс точности сверление отверстий под металлизацию сверление должно происходить очень точным оборудованием - это сверлильном станке с ЧПУ ОФ-101. Максимальный размер обрабатываемых плат 250*250, имеются 4 шпинделя, скорость вращения которых 75 КГц. Точность позиционирования +0,01 мм и точность сверления +0,05 мм.

4. Очистка поверхности фольги

Обезжиривание осуществляется раствором, который состоит из тринатрийфосфата - 20-30 г/л, соды кальцинированной - 10-20 г/л и стекла натриевого - 3-5 г/л. Эти операции проходят температуре 30-40?С в течении 2-3 минут, в течении 0,5-3 минут промывка водой, температура которой составляет 40-60?С, а затем в течении 0,5-3 минут плата промывается холодной проточной водой, температура которой составляет 15-25?С. Сушка выполняется сжатым воздухом, температура которого составляет 15-25?С и продолжается 1-3 минуты.

5. Сенсибилизация и активация поверхности

Сенсибилизация - это процесс создания на поверхности диэлектрика пленки, обеспечивающей восстановление ионов активатора стабилизации. Плату обрабатывают в растворе двухлористого олова, концентрацией 5-10 г/л, и соляной кислоты, концентрацией 20-40 г/л, остальное - дистиллированная вода. Плата обрабатывается в данном растворе в течении 5-7 минут, после чего ее промывают холодной водой, температура которой составляет 15-25?С. Активирование заключается в том, что на поверхности, сенсибилизированной двухвалентным оловом, происходит реакция восстановления ионов каталитического металла. Активация проводится раствором, имеющим следующий состав: PdCl2 - 0,8-1 г/л.

После проведения процессов сенсибилизации и активации плату следует промыть холодной проточной водой, температура которой составляет 15-25?С.

6. Химическая и предварительная гальваническая металлизация

Для химическая металлизация используют раствор:

Медь сернокислая CuSO4*5H2O, концентрацией 25-35

Медь сернокислая CuSO4*5H2O, концентрация 150-170

Гидрооксид натрия NaOH, концентрация 40-50

Натрий углекислый Na2CO3, концентрация 25-35

Формалин(40 %-ный) CHOH, мл/л, концентрация 20-25

Тиосульфат натрия Na2S2O3, концентрация 0,002-0,003

Никель хлористый NiCl2*12H2O, концентрация 2-3

Моющее средство “Прогресс”, концентрация 0,5-1

Предварительная гальваническая металлизация производится в гальванической ванне при температуре 20±5?С, плотности тока

3-4 А/дм2 . При этом скорость осаждения составляет 25- 30 мкм/ч.

7. Нанесение защитного рисунка на печатную плату

Для создания защитного рисунка используется метод фотопечати. В качестве фоторезиста используется жидкий негативный фоторезист ФП-383.

Для проявления используем проявитель тринатрий фосфат 3 - 5%. После проявления оставшийся фоторезист должен быть твердым, блестящим, без каких - либо дефектов.

8. Основная гальваническая металлизация

Основная гальваническая металлизация проводится в гальванической ванне с электролитом между анодами, выполненными из меди. В данном случае применяется сернокислый электролит с выравнивающей добавкой, состав которого: CuSO4*5H2O - 100-200 г/л, H2SO4 - 150-180 г/л, NaCl - 0,03-0,06 г/л, комплексная добавка - 1-3 мл/л.

9. Нанесение металлического резиста

Нанесение металлического резиста осуществляется гальваническим методом. Аноды изготавливаются из сплава, содержащего 61% свинца и 39% олова. Если процесс ведется при комнатной температуре, плотности тока 1-2 А/дм2 и используется электролит указанного состава: Sn2+ - 13-15 г/л, Pb2+ - 8-10 г/л, HBF4 - 250-300 г/л, H3BO3 - 20-30 г/л, пептон -3-5 г/л, гидрохинон - 0,8-1 г/л. То осаждения будет происходить со скоростью 1 мкм/мин.

10. Удаление фоторезиста

Применяемый фоторезист необходимо удалить с помощью ацетона. После удаления фоторезиста плату необходимо промыть плату вначале в горячей воде (40 - 60?С), а затем в холодной проточной воде (15 - 25?С).

11. Травление меди

Травление меди с пробельных мест происходит раствором хлорной меди при травлении которым боковое подтравливание не превышает 3-6 мкм. После травления печатную плату необходимо промыть в холодной проточной воде, температура которой составляет 15-25?С.

12. Заключительные операции

На этом этапе осуществляется выходной контроль и маркировка печатной платы.

На этапе выходного контроля определяют следующие характеристики: диэлектрик должен быть монолитным по структуре и не иметь внутренних пузырей, раковин, посторонних включений, сколов, трещин и расслоений. Проводящий рисунок должен быть четким с ровными краями, без вздутий, отслоений, подтравливания, разрывов, темных пятен, следов инструмента и остатков технологических материалов.

Маркировка печатной платы осуществляется краской ТНПФ - 53 с шириной линии 0,3 мм, шрифтом № 3.

5.2 Выбор технологического оборудования и технологических режимов изготовления печатной платы

Учитывая метод изготовления печатной платы, проведем анализ и выбор применяемого оборудования.

В настоящее время для вычерчивания оригиналов и фотошаблонов применяют программные автоматические координатографы, для управления которыми используют файл из САПР ПП.

В графопостроителе чертежная головка и двухкоординатный стол с головкой перемещаются друг относительно друга по программе. Вычерчивание проводников происходит при непрерывном перемещении проектора над фотопленкой, остальные элементы топологии оригинала получают засвечиванием фотопленки вспышкой при неподвижном проекторе.

Химико-фотографическую обработку проводят для получения видимого изображения элементов топологии фотошаблона при неактиничном освещении за светофильтром № 107в кюветах, фотованнах или в проявочных установках.

При контактном способе печати на диазоматериалах применяются контактно-копировальные установки с источником УФ-излучения с длиной волны 350...450нм с ксеноновыми, галогенными или другими лампами. Прямая запись шаблонов печатной платы осуществляется в лазерных растровых плоттерах семейства LaserGraver. В них реализуется термический способ записи изображения шаблона лучом волоконного лазера с полупроводниковой накачкой. Погрешность на поле 500х500 мм ±0,025 мм, что позволяет получать проводники шириной 50 мкм.

Машина LaserGraver и ПО представляют собой систему, обеспечивающую совместимость со всеми современными технологиями разработки печатных плат. Фотоплоттеры отличаются высоким качеством, точностью и разрешающей способностью.

Для контроля фотошаблонов применяют оптическую измерительную систему OPTEK VideoMic.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнение курсового проекта было проведено в соответствии с графиком. В процессе выполнения был сформирован комплект конструкторской документации, включающий в себя конструктивные особенности элементов схемы, конструктивно-технологические требования к проектированию чертежа печатной платы, чертежи, а так же некоторые расчеты.

Произведены расчеты площади печатной платы и в соответствии с ГОСТ 53.429-2009 «Печатные платы. Основные параметры конструкции» были определены линейные размеры требуемой печатной платы. Они составили 175х100 мм.

На основании ГОСТ 29.137-91 «Формовка выводов и установка изделий электронной техники на печатные платы» были определены требования по формовке выводов при установке на печатную плату. А так же перечислены некоторые требования к пайки элементов. Температура пайки должна быть 240-280 ?С, паять при помощи флюс-геля ТТ и пропоя ПОС 61.

Были определены требования к печатной плате. Произведены расчеты надёжности конструкции. А также расчёты электрических параметров. Определили, исходя из токовой нагрузки требуемую ширину печатного проводника: 0.57 мм. Были проведены расчеты сопротивления проводника. В результате мы получили значение 1.61 Ом, а так же произвели расчеты падения напряжения, которые составили 0,46 В. На основании электрических параметров был выбран третий класс точности изделия, в соответствии с которым были определены максимальные отклонения и допуски.

В качестве основания материала печатной платы мы выбрали стеклотекстолит теплостойкий армированный с алюминиевым протектором (СТПА-5-1).

Также в результате были разработаны чертежи: сборочный чертеж, чертеж печатной платы, схема электрическая принципиальная. Все чертежи прилагаются.

ЛИТЕРАТУРА

1. Е.В. Пирогова «Проектирование и технология печатных плат», Москва, «Форум- инфа-м», 2005.

2. Под общей редакцией И.И. Четверкова и В.М Терехова «Справочник. Резисторы», Москва, «Радио и связь», 1987.

3. Журнал «Радио», №11 2012.

4. А. Медведев «Печатные платы, конструкции и материалы», Москва, «Техносфера», 2005

5. ЕСКД ГОСТ 2.105-95 «Правила оформления текстовых документов».

6. Жигалов А.Т. и др. Конструирование и технология печатных плат. М, «Высшая школа», 1973.

7. Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструирование РЭА с применением печатного монтажа, МИЭМ, 1972.

8. Краткий справочник конструктора РЭА. Под ред. Варламова Р.Г., «Сов. Радио», 1972.

9. Мягков В.Д. Допуски и посадки. Справочник «Машиностроение», 1966.

10.Преснухин Л.Н. и др. Основы конструирования микроэлектронных вычислительных машин. М., «Высшая школа», 1976.

11.Платы печатные одно- и двусторонние с неметаллизированными отверстиями. Общие технические требования. - ГОСТ Р 50621-93. (МЭК 326-4-80).

12.Правила выполнения чертежей печатных плат - ГОСТ 2.417.

13.Допуски и посадки размеров от 0,1 до 5000 мм - ОСТ4 ГО.010.014.

14.Установка навесных элементов на печатной плате - ОСТ4 ГО.010.030.

Размещено на Allbest.ru