§ 13.6. РАЗРАБОТКА И ОФОРМЛЕНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ НА ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ

Процесх; разработки чертежа печатной платы складывается из следующих операций:

а) компоновка печатной платы, в процессе которой находят оптимальное размещение навесных элементов на печатной плате. Компоновку обычно выполняют с помощью шаблонов элементов, устанавливаемых на плате, изготовленных из бумаги или другого материала. Шаблоны выполняют в том же масштабе, в котором оформляется чертеж печатной платы. Эти шаблоны размещают на листе бумаги или другого материала с нанесенной координатной сеткой и ищут такое расположение деталей, при котором длина соединяющих их проводников минимальна. В результате компоновки находят положения контактных площадок для подключения всех элементов;

б) разводка печатных проводников ( трассировка ). Цель этой операции - провести проводники, соединяющие контактные площадки, так, чтобы они имели минимальную длину и минимальное число переходов на другие слои с целью устранения пересечений;

в) оформление чертежа с соблюдением требований стандартов.

Первые два процесса - компоновка и разводка - неразрывно связаны между собой, так как иногда в процессе разводки конструктор обнаруживает, что компановку нужно изменить. На выполнение этих двух процессов при разработке сложных плат затрачивается много времени. Поэтому при разработке плат применяют машинное проектирование с использованием ЭВМ. При этом методе в машину вводят закодированную специальным образом схему соединений между элементами, И машина, снабженная специальной математическш программой, находит необходимое число слоев и места прокладки проводников, соединяющих контактные площадки. При этом специальные программные графопостроители, снабженные оптическими устройствами, выполняют на фотопленке негатив, необходимый для изготовления каждого слоя печатной платы. Следует отметить, что машинные методы трассировки, обеспечивая высокую производительность труда, не могут обеспечить такую же экономичную компоновку, какую мог бы сделать человек. Если число слоев в плате ограничено, а схема сложная, то иногда машина останавливается, не находя пути для прокладки какого-либо проводника. Тогда в процесс трассировки приходится вмешиваться человеку. Такие ситуации - результат несовершенства используемых алгоритмов. По мере совершенствования алгоритмов эффективность машиных методов проектирования будет повышаться.

Чертеж печатной платы должен содержать основные проекции платы с печатными проводниками и отверстиями. Его выполняют в масштабе 2:1 или 4:1. На чертеже платы линиями типа выносных наносят координатную сетку в соответствии с выбранным масштабом.

Размеры на чертеже печатной платы указывают одним из следующих способов: с помощью размерных и выносливых линий; нанесением координатной сетки в прямоугольной или в полярной системе координат;

комбинированным способом с помощью размерных и выносных линий и координатной сетки.

При задании размеров координатной сетки ее линии нумеруют.

Проводники на чертеже печатной платы нужно изображать одной линией, являющейся осью симметрии проводника. При этом в технических требованиях чертежа должна быть указана щирина проводника.

Во многих случаях для плат ограничивается только минимальная ширина проводника. Ее указывают отдельно для свободньк и узких мест, как, например, показано в табл. 13.4.

Таблицу помещают в Технические требования , которые размещают на поле чертежа.

Таблица 13.4. Примс]) оформления на чертеже таблицы параметров элементов платы

Проводники шириной более 2,5 мм можно изображать двумя линиями, при этом, если они совпадают с линиями координатной сетки, числовое значение ширины на чертеже не указывают.

Отдельные элементы рисунка печатной платы (широкие проводники, контактные площадки, экраны, изоляционные участки и т. п.) можно выделять штриховкой, чернением.

Круглые отверстия, имеющие зенковку, и круглые контактные площадки с круглыми отверстиями изображают одной окружностю.

Размер диаметров круглых контактных площадок указывают в технических требованиях.

Если у контактной площадки регламентируется только минимальная радиальная ширина Ьтт, то такую площадку показывают окружностью, диаметр которой равен диаметру отверстий, а в технических требованиях указывают: Форма контактных площадок произвольная, fe , = =... . Контактные площадки для припайки выводов планарных корпусов микросхем вьшолняют, как показано на рис. 13.1.

Параметры отверстий (диаметр, допуск на диаметр, зенковку и допуск на нее, наличие и отсутствие металлизации) непосредственно около каждого отверстия не проставляют. Отверстия, имеющие одинаковые параметры, обозначают одним и тем же условным значком, а параметры, характеризующие этот значок, объединяют в таблицу, которую включают в технические требования чертежа (табл. 13.5).

Участки платы, по которым не должны проходить печатные проводники, обводят штрихпунктирной линией и соответствующее указание

8-168

Таблица 13.5. Прим(]) оформления таблицы отверстий на чертеже

делают в технических требованиях. Зенковку на отверстиях графически не показывают.

Кроме перечисленных данных в технических требованиях чертежа должно быть указано:

а) номер технических условий, которым должна соответствовать плата;

б) шаг координатной сетки;

в) точность, с которой должна выдерживаться конфигурация проводников по отношению к сетке (1,5; 1,0 или 0,5 мм);

г) указание о том, что допускается скругление углов контактных площадок и проводников;

д) минимальная радиальная толщина контактных площадок;

е) предельные отклонения расстояний между центрами отверстий (кроме оговоренных особо на чертеже) в широких и узких местах;

ж) суммарная площадь металлизации платы;

з) указания о гальваническом покрытии проводников печатной платы, например: Печатный монтаж серебрить Ср9 .

При необходимости в технических требованиях указывают способ изготовления печатной платы.

Для поверхностей печатной платы, которые в процессе изготовления подвергаются механической обработке (контур платы, отверстия, пазы и т. п.), устанавливают норму на шероховатость.

Шероховатость ограничивают, нормируя максимально допустимое значение параметра шероховатости Rz (высота неровностей, вычисленная по десяти точкам профиля); обычно R не должна превьппать 40 мкм.

Шероховатость поверхностей печатной платы на чертеже обозначают следующим образом:

а) на линиях контура или выносных, относящихся к поверхностям платы, на которых находятся печатные проводники (или противоположные им для односторонних плат), ставят знак V , означающий, что шероховатости этих поверхностей должны удовлетворять нормам, установленным на материал, из которого изготовлена плата;

б) для всех поверхностей, подвергаемых механической обработке, обычно устанавливают одинаковые требования шероховатости поверхности. При этом в правом верхнем углу чертежа ставят знак V и пишут

значение параметра шероховатости, например 5. После этого ставят знак (V), который означает, что норма R, < 40 мкм относится ко

всем поверхностям, кроме обозначенных знаком . В рассмотренном нами примере в правом верхнем углу чертежа должно быть написано:

В соответствующей графе основной надписи чертежа должна быть указана марка материала, из которого сделана печатная плата или изображенная на чертеже деталь МПП, а также номер ГОСТ или ТУ на этот материал.

§ 13.7. ПЕЧАТНЫЕ УЗЛЫ

Печатную плату с установленными на ней электрорадиоэлементами (ЭРЭ) называют печатным узлом..

Если электрорадиоэлементы имеют щтыревые выводы, то их устанавливают в отверстия печатной платы и запаивают. Если корпус ЭРЭ имеет планарные выводы, то их припаивают к соответствующим контактным площадкам внахлест.

ЭРЭ со штыревыми выводами нужно устанавливать на плату с одной стороны (для плат с односторонней фольгой - на стороне, где нет фольги). Это обеспечивает возможность использования высокопроизводительных процессов пайки, например пайку волной . Для ЭРЭ с планарными выводами пайку волной применять нельзя. Поэтому их можно располагать с двух сторон печатной платы. При этом обеспечивается большая плотность монтажа, так как на одной и той же плате можно расположить большее количество элементов.

При размещении ЭРЭ на печатной плате необходимо учитывать следующее:

1) полупроводниковые приОоры и микросхемы не следует располагать близко к элементам, выделяющим большое количество теплоты, а также к источникам сильных магнитных полей (постоянным магнитам, трансформаторам и др.);

2) должна быть предусмотрена возможность конвекции воздуха в зоне расположения элементов, выделяющих большое количество теплоты;

3) должна быть предусмотрена возможность легкого доступа к элементам, которые подбирают при регулировании схемы.

На рис. 13.16 показаны часто применяемые способы установки элементов, имеющих два вывода, рас1юложенных аксиально (сопротивления, конденсаторы, диоды и др.).

При выборе межцентрового расстояния L, высоты Я и других размеров следует учитывать, что для всех тютов ЭРЭ ограничено минимальное расстояние от корпуса элемента, на котором можно производить гибку вывода, и минимальное расстояние от корпуса

до места приложения паяльника р„. 13 j. установка элементов с аксиаль-при пайке. Эти ограничения су- ными выводами

ществует не только для ЭРЭ с аксиальными выводами, но и для всех типов ЭРЭ, подключаемых пайкой.

Соответствующие данные приводятся в ГОСТах и ТУ на ЭРЭ и в справочниках.

Если элемент имеет электропроводный корпус, установленный, как показано на рис. 13.16, й, и под корпусом проходит проводник, то необходимо предусмотреть изоляцию корпуса или проводника. Изоляцию можно осуществлять надеванием на корпус элемента трубок из изоляционного материала, нанесением тонкого слоя эпоксидной смолы на плату в зоне расположения корпуса (эпоксидная маска), наклеиванием на плату тонких изоляционных прокладок.

Элементы, установленные, как показано на рис. 13.16, а, могут работать лри более жестких механических воздействиях, чем установленные так, как показано на рис. 13.16, б, в.

В зависимости от конструкции конкретного типа элемента и характера механических воздействий, действующих при эксплуатации (частота и амплитуда вибрации, значение и длительность ударных перегрузок и др.), ряд элементов нельзя закреплять только пайкой за выводы - их нужно крепить дополнительно за корпус.

Крепление за корпус в зависимости от конструкции и массы элементов можно производить приклейкой к плате специальными мастиками или клеями, приЛакировкой в процессе влагозащиты печатного узла, заливкой компаундом, привязкой нитками или проволокой, с помощью скоб, держателей и другими методами.

Чтобы обеспечить возможность применения групповой пайки (например, пайки волной ) элементов, устанавливаемых с зазором между платой и корпусом, необходимо предусматривать специальный изгиб выводов, как Показано на рис. 13.16, б. Этот изгиб удерживает элемент и не дает ему опуститься на плату в процессе установки других элементов до операции пайки. На рис. 13.16, г показана установка элементов с аксиальными выводами в двухплатной конструкции.

На рис. 13.17 показаны возможные варианты установки транзисторов.

При установке транзисторов, как показано на рис 13.17, а,бъ аппаратуре, работающей в условиях вибрации и ударов, корпус должен быть приклеен к плате или к переходной втулке.

На рис. 13.18 показаны варианты установки микросхем в корпусах с планарными выводами, в круглых корпусах и в плоских прямоуголь-

Рис. 13.17. Установка транзистора (а-в): 1 - подставка; 2 - крепежная скоба

-a-a-□-П-

и uj I-u u

й

I II ,11 II II II II ~тгг

u u u ц u u u

Рис. 13.18. Установка микросхем (a-з): / - теплоотводящая шина; 2 - изоляиионная прокладка; 3 - печатная плата, изготовленная методом выступающих выводов; 4 - подставка; 5 - прокладка

НЫХ корпусах со штырьковыми выводами. Все указанные способы крепления микросхем обеспечивают их надежное крепление в условижс вибрации и ударов, действующих на аппаратуру, которая устанавливается на подвижных объектах (автомашинах, самолетах, судах и т. п.). При этом обязательно покрытие узлов влагозашитными лаками, которое обеспечивает дополнительное крепление выводов микросхемы к плате.

Если микросхема выделяет большое количество теплоты и находится при повышенной температуре, то существует опасность нагрева корпуса микросхемы выше допустимой температуры. В этом случае пОд корпусами микросхем устана]вливают теплоотводящую медную шину 1 (рис. 13.18, е), концы которой должны плотно прилегать к корпусу изделия или другому элементу конструкции, способномуотводить выделяемую микросхемой теплоту в окружающее пространство. Медная шина должна быть изолирована изоляционной прокладкой от печатных проводников, проходящих под микросхемой. По тем же причинам изоляционные прокладки нужно применять при установке, изображенной на рис. 13.18, а. Вместо прокладок можно покрывать нижнюю поверхность корпуса микросхемы эпоксидной смолой.

ЭРЭ должны располагаться на печатной плате так, чтобы осевые линии их корпусов были параллельны или перпендикулярны друг дру-

гу. Это обеспечит при необходимости возможность применения специальных машин для автоматической установки и пайки ЭРЭ на печатной плате. На платах с большим количеством микросхем в однотипных корпусах их следует располагать правильными рядами.

Зазор между корпусами должен быть менее 1,5 мм (в'одном из направлений). Указанный зазор необходим для возможности захвата микросхемы специальными устройствами при автоматической установке. Пла-нарные корпуса нужно располагать длинной стороной вдоль направления конвекционного потока воздуха. Нри этом улучшается охлаждение микросхемы.

Элементы, имеющие большую массу, следует размещать вблизи мест крепления платы или выносить их за пределы платы и закреплять на шасси аппарата.

Так как печатные платы имеют малые расстояния между проводниками, то воздействие влаги может привести к таким ухудшениям сопротивления изоляции, при которых будет нарушаться нормальная работа схемы. Поэтому печатные узлы, которые будут работать в сложных климатических условиях, необходимо покрывать слоем лака.

Используемые для этого лаки должны иметь следующие свойства:

а) хорошую адгезию к материалу платы и печатным проводникам;

б) малую влагопоглошаемость; в) большое сопротивление изоляции; г) способность б&стро высыхать при невысокой плюсовой температуре; д) отсутствие растрескивания в диапазоне рабочих температур.

Наиболее часто для покрытия печатных плат используют лак УР-231.

Однако следует отметить, что тонкая пленка лака не способна надежно защитить плату от влаги при длительном воздействии, так как абсолютно влагонепоглощающих лаков не существует. Кроме того, на поверхности платы, покрытой лаком, могут быть отдельные участки с дефектами (пузырьками, царапинами и т. д.), через которые интенсивно проникает влага.

Глава 14

КОМПОНОВКА РАДИОАППАРАТУРЫ

§ 14.1. ОДНОБЛОЧНЫЕ и МНОГОБЛОЧНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Компоновка радиотехнического изделия - часть процесса конструирования. На этом этапе определяются форма и габаритные размеры всего аппарата, а также взаимное расположение отдельных узлов, деталей и блоков. От качества компоновки в значительной мере зависят технические, технологические и эксплуатационные характеристики изделия, а также его надежность и ремонтопригодность. В процессе компоновки необходимо соблюдать следующие условия:

а) между отдельными узлами, приборами и блоками должны отсутствовать заметные паразитные электрические взаимосвязи, влияющие на технические характеристики ИJДeлия; тепловые и механические влияния элементов конструкции не должны значительно ухудшать их технические характеристики;

б) взаимное расположение элементов конструкции должно обеспечить технологичность сборки и монтажа с учетом использования автоматов и полуавтоматов, легкий доступ к деталям для контроля, ремонта и обслуживания;

в) расположение и конструкция органов управления и отсчетных устройств должны обеспечивать максимальные удобства для оператора;

г) изделие должно удовлетворять требования технической эстетики;

д) габариты и масса изделия должны быть минимальными.

Однако следует отметить, что габариты и масса изделия в значительной мере зависят от принятых схемных решений и используемых радиоэлементов. Резкое сокращение габаритов и массы было получено при переходе от ламповых схем к схемам на полупроводниковых приборах. Такой переход сопровождался уменьшением выделяемой в аппаратуре мощности и снижением значения питающих напряжений, что позволило наряду с полупроводниковыми элементами применять малогабаритные маломощные резисторы, конденсаторы и другие малогабаритные радиоэлементы. Еще больший эффект получается при широком использовании в аппаратуре гибридных и полупроводниковых микросхем.

Мерой эффективности мероприятий по уменьшению габаритов аппаратуры является плотность монтажа - среднее количество радиоэлементов, умешаюшееся в единице объема, например в 1 см.

Удовлетворить одновременно всем перечисленным требованиям в большинстве случаев не удается. Поэтому процесс компоновки, как и всякий процесс конструирования, сводится к нахождению оптимальных решений.

Радиотехнические изделия имеют разное назначение и состоят из различного количества элементов. Так, схема карманного радиовещательного приемника состоит из нескольких десятков элементов, причем масса каждого из них не превьппает десятков граммов. При конструировании все элементы, включая антенну и источники питания, стремятся скомпоновать в одном приборе, удобном для переноски.

Современная радиолокационная станция может состоять из десятков тысяч'элементов массой от нескольких граммов до десятков килограммов. Попытка создать станцию в виде одного прибора приведет к абсурдным результатам: станция будет неудобна при транспортировке и размещении, будут затруднены ремонт и эксплуатация, станция будет обладать плохой технологичностью и надежностью. Поэтому современные слояснЫе радиотехнические устройства обычно разделяют на приборы. Метод разделения, а также требования к конструкции приборов в значительной степени зависят от характеристик объекта, на котором будет установлено радиотехническое изделие, и от конструхцин элементов, из которых состоит схема изделия.

Рассмотрим, например, как .может быть кон- р„(.. 14.1. стойка:, структивно решено изделие, которое устанав- i - корпус; 2-6 - блоки

лйвают в стационарных помещениях, в крупногабаритных фургонах специальных автомашин, на крупнотоннажных кораблях и других объектах.

К аппаратуре, расположенной на перечисленных объектах, не предъявляют чрезмерно жестких требований по массе и габаритам. Если аппаратура состоит из большого числа элементов, то ее выполняют в виде стойки (шкафа), как показано, например, на рис. 14.1.

Если аппаратура содержит приемно-передающие устройства, то антенны и согласующие блоки вьшолняют в виде отдельных приборов, которые в силу специфики использования будут, размещаться на крьппе, палубе, мачтах.

Непосредственно на стойке могут быть расположены органы управления, контроля и отображения информации, выдаваемой аппаратурой. Если один оператор должен управлять комплексом аппаратуры, расположенной в нескольких стойках, то перечисленные органы должны быть сосредоточены на одной из стоек или вьшесены на специальный пульт управления.

При конструировании радиоэлектронных устройств, предназначенных для установки на самолетах, необходимо учитывать следующее:

а) на современном самолете, даже малогабаритном, приходится устанавливать большое количество аппаратуры, предназначенной для связи, определения местоположения самолета, выполнения посадки в условиях плохой видимости и решения ряда других задач, без которых полет современного самолета невозможен;

б) управление этой аппаратурой часто осуществляет летчик или штурман, реже - специальный оператор;

в) площадь панелей, расположенных непосредственно перед рабочим местом оператора, крайне ограничена.

В силу перечисленных причин специфической особенностью конструкции аппаратуры, размещаемой на самолетах, является наличие отдельного малогабаритного пульта, на котором сосредоточивают все органы управления, контроля и устройства отображения информации.

Все остальные приборы могут быть размещены в фюзеляже самолета на значительном расстоянии от оператора и соединяются друг с другом кабелями и разъемами.

Чтобы обеспечить унификацию конструктивньк решений и удобство

размещения радиоэлектронной аппаратуры на различных типах самолетов, для самолетной аппаратуры разработаны унифицированные ряды габаритных размеров приборов.

Один или несколько приборов, относящихся к одному и тому же радиоэлектронному устройству, можно размещать при необходимости Рис. 14.2. Установка^блоков самолетной g различных частях фюзеляжа са-

а - на индивиду ?но7раме б - на груп- МОЛеТа На ИНДИВИДуаЛЬНЫХ креПСЖ-

повой раме НЫХ рамах С учетом специфики его

конструкции, обеспечивая оптимальную компоновку всего самолета вцелом. Так как различные приборы могут иметь равные размеры в двух измерениях, при необходимости их можно компоновать в более крупные приборы, устанавливая на групповой раме, как показано, например, на рис. 14.2.

К ратсетной и космической аппаратуре предъявляют самые жесткие требования с точки зрения габаритов и массы. Чтобы аппаратура наиболее эффективно заполняла рабочий объем объекта, ее часто приходится конструировать с учетом особенностей конфигурации корпуса, например придавая ее приборам цилиндрическую форму.

§ 14.2. МОДУЛЬНЫЙ МЕТОД КОМПОНОВКИ ПРИБОРОВ

Для построения схемы современного радиоэлектронного устройства широко применяют микросхемы различного типа, полупроводниковые приборы и другие малогабаритные элементы. Значительно реже встречаются приборы, содержащие электронные лампы, электромеханические блоки и другие крупногабаритные устройства.

При проектировании приборов, состоящих из большого числа малогабаритных элементов, широкое распространение получил модульный метод компоновки. Сущность этого метода состоит в том, что весь прибор делят на отдельные конструктивно законченные сборочные единицы (блоки).

При модульном методе компоновки возможно для указанных сборочных единиц применять однотипные конструктивные решения со стандартизованными и унифицированными элементами конструкции, что сокрашает сроки и стоимость проектирования и подготовки производства аппаратуры, а также ее стоимость.

Этот метод позволяет также производить сборку, регулировку и испытания сборочньк единиц параллельно, в результате чего резко сокращается длительность производственного цикла изготовления аппаратуры.

Как будет показано, использование этого метода в ряде случаев дает возможность повысить надежность аппаратуры.

Применяя блоки одинаковой конструкции, можно наиболее оптимально использовать объем прибора, что в конечном счете приводит к сокращению массы и габаритов аппаратуры.

При компоновке приборов, состоящих из малогабаритных элементов, наиболее широко используют два типа конструкций: из легкосъем ных субблоков и книжный.

Рассмотрим особенности этих конструкций.

Легкосъемные субблоки. При такой конструкции прибор состоит из определенного числа однотипных субблоков, снабженных разъемами врубного типа. Возможные варианты., конструкции субблоков показаны на рис. 14.3, а, б. Субблок, показанный на рис. 14.3, а, состоит из одной печатной платы, на которой могут быть расположены микросхемы, полупроводниковые приборы и другие малогабаритные ЭРЭ.

На одном краю печатной платы, закреплен врубной разъем 2. Высота этого разъема должна быть соразмерна с высотой элементов, уста-новленньк на печатнш плате. В противном случае плотность монтажа