Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Факультет компьютерного проектирования

Кафедра электронной техники и технологии

Дисциплина: Технология программно-управляемых электронных средств.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2

по дисциплине: «Информационные технологии проектирования

электронных устройств»

Выполнил студент: гр. 990241 Петушок И.М.

Проверил: преподаватель Лушакова М. С.

Минск

2023

СОДЕРЖАНИЕ

Y

СОДЕРЖАНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ 3

1 КОМПОНОВОЧНЫЙ РАСЧЕТ ПЛАТЫ 4

2 КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ 6

3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ В САПР ALTIUM DESIGNER V17 14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 26

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 27

ПРИЛОЖЕНИЕ А 28

ПРИЛОЖЕНИЕ Б 29

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время проектирование и технология производства электронных средств уже не могут рассматриваться в отрыве друг от друга и других этапов жизненного цикла продукта. Острая конкурентная борьба за рынки сбыта между научно-производственными объединениями электронного профиля приводит к быстрому развитию информационных технологий. Современные автоматизированные технологии позволяют охватывать все виды работ по маркетингу, планированию, проектированию, производству, реализации, эксплуатации, а где требуется, и утилизации электронных средств. Ежегодно появляется много новых программных продуктов или новых версии существующих. Созданных технологий так много и они настолько быстро развиваются, что специалисту в одной области информационных технологий (ИТ) невозможно отслеживать весь широкий спектр методов, программных и технических средств, которые применяются при создании и производстве электронной продукции.

Целью данной контрольной работы является компоновочный, конструкторский расчет печатной платы и создание конструкторской документации (КД).

Основными задачами являются:

• систематизация и закрепление теоретических знаний;

• развитие навыков самостоятельного применения теоретических и практических знаний для решения инженерно-технических задач;

• широкое использование вычислительной техники, пакетов прикладных программ для решения проектных задач любой степени сложности.

1. Компоновочный расчет платы

Под компоновкой электронной аппаратуры понимается процесс размещения комплектующих модулей, изделий электронной техники (ИЭТ) и деталей электронной аппаратуры (ЭА) на плоскости или в пространстве с определением основных геометрических форм и размеров, а также ориентировочное определение массы изделия.

Существуют много способов компоновки элементов РЭС, среди них можно выделить два: аналитический и модельный [1]. В основе аналитического способа лежит представление геометрических параметров РЭС в виде чисел. Основу модельного способа составляет создание физических моделей элементов, например, в виде геометрически подобного тела. В том и ином способе производится анализ общих аналитических зависимостей.

Исходными данными для компоновочного расчета (таблица 1.1) являются:

• перечень элементов;

• габаритные размеры ИЭТ;

• установочные размеры ИЭТ.

Таблица 1.1 - Исходные данные для компоновочного расчета

Перечень элементов	Габаритные размеры, мм	Количество элементов	Общая площадь, мм2
Гнездо BH-16	23x9,1	1	209,3
Микросхемы
КР1561ЛА8	19,5x7,5	4	585
CD4027BE	19,5x7,5	1	146,25
К1561ТЛ1	19,5x7,5	1	146,25
Сумма		7	1086.8

Суммарную площадь, занимаемую всеми ИЭТ, можно рассчитать по формуле (1.1):

п

(1.1)

V s

/ •^Jvi> i=l

где S_vi —значение установочной площади i-го элемента;

п — количество элементов.

Подставив значения из таблицы 1.1 в формулу (1.1), получается

S_c = 209,3 + 146,25 + 146,25+585 = 1086,8 мм².

Для крепления платы используются четыре винта M3, что требует дополнительной площади для монтажа. S_m = (10 • 10) • 4 = 400 мм².

П риблизительная площадь печатной платы с учетом способа монтажа (односторонний) рассчитывается по формуле (1.2):

(1.2)

где k₃ —коэффициент заполнения платы печатной (k₃ = 0,42);

т — количество сторон монтажа (m = 1).

Таким образом

Рассчитав приблизительную площадь печатной платы, учтя дополнительную площадь под монтаж, можно рассчитать необходимую площадь: S = + 400 = мм².

Исходя из рассчитанной площади печатной платы и высоты ИЭТ (максимальную высоту имеет гнездо BH-12 равный 10 мм), можно определить приблизительные габаритные размеры. Было выбрано, согласно ГОСТ 10317-79, соотношение сторон 70х45 мм с учетом допусков на зазоры, мест монтажа и позиционное обозначение элементов.

2. Конструирование и расчет печатной платы

Печатные платы - это элементы конструкции, которые состоят из плоских проводников, контактных площадок и металлизированных отверстии, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение элементов электрической цепи [2]. Они получили широкое распространение в производстве электронной аппаратуры.

По конструктивному исполнению различают: односторонние (ОПП), двусторонние (ДПП), многослойные (МПП) и гибкие (ГПП) печатные платы.

В соответствии со сложностью схемы, реализуемой на печатной плате (1111), а также возможностями технологического оборудования и экономическими критериями была выбрана двухсторонняя печатная плата (ДПП).

Группа жесткости по климатическим факторам определяется по ГОСТ 23752-79, в результате чего была выбрана 2-я группа жесткости (таблица 2.1).

Таблица 2.1 - 2-я группа жесткости для печатной платы

Воздействующий фактор	2-я группа жесткости
Температура окружающей среды, °С	-40...+85
Относительная влажность, %	93
Давление, кПа (мм. рт. ст.)	53,6(400)

Класс точности определяет наименьшие минимальные значения основных размеров конструктивных элементов (ширина проводника, расстояние между центрами 2-х проводников (контактных площадок), ширины гарантийного пояска металлизации контактной площадки и другие). В соответствии с ГОСТ 23751-86 был выбран 4-ый класс точности.

Предварительный выбор размеров и конфигурации ПП выполнялся на стадии компоновочного расчета, в результате чего было выбрано соотношение сторон 80х55 мм.

Толщина ПП определяется в зависимости от механических нагрузок на ПП или диаметром отверстий. Обычно выполняется правило:

Н > (2,5 ÷ 5) • d₀, (2.1)

где Н — толщина ПП;

d₀ — минимальный диаметр отверстия.

Для ДПП толщина определяется по формуле (2.2):

(2.2)

Н = H_M + n•h_ф,

где Н_м — толщина материала основания;

п — количество слоев ПП; h_ф - толщина фольги.

В качестве материала печатной платы был выбран стеклотекстолит. Стеклотекстолит представляет собой слоистый листовой материал, полученный методом горячего прессования стеклотканей, пропитанных термореактивным связующим на основе совмещенных эпоксидной и фенолформальдегидной смол с длительно допустимой рабочей температурой от -65 °С до +155 °С [3]. Предназначен для работы на воздухе при напряжении свыше 1000 В. Высокая механическая прочность и электрическая стабильность позволяют проводить механическую обработку материала и использовать его для конструкционных деталей электрооборудования. Фольгированный стеклотекстолит применяется для изготовления печатных плат.

Для определения толщины ПП необходимо выполнение условия (2.1). Для этого необходимо рассчитать минимальный диаметр d₀, который рассчитывается по формуле (2.3):

(2.3)

где d_Э — диаметр вывода устанавливаемого в отверстие;

∆d_H.О — нижнее отклонение диаметра отверстия (ГОСТ 23751 Таблица 2);

r - разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода (0,1.. .0,3 мм).

В данной схеме используется два типа корпусов: для микросхемы DIP8, DIP14 и для гнезда ВН-14, таким образом будет использоваться два типа отверстий. В качестве третьего типа используются отверстия под монтаж, четвертого - переходное отверстие.

Расчет диаметра отверстий для корпуса DIP14 определяется по формуле (2.3):

do = dэ + |∆dн.о. | + r = 0,5 + |-0,1| + 0,3 = 0,9 мм.

Расчет диаметра отверстий для гнезда ВН-14 определяется по формуле (2.3):

do = dэ + |∆dн.о. | + r = 0,7 + |-0,1| + 0,3 = 1,1 мм.

Диаметра монтажного отверстия для винтов М3 согласно ГОСТ 11284-75 по 2-ому ряду выбирается равным 3,4 мм.

Для переходных отверстий был выбран диаметр равный 0,5 мм.

Таким образом, минимальный диаметр отверстия равен 0,5 мм. Подставив данное значение в соотношение (2.1), получается

Н > (2,5 ÷ 5) • 0,5 H > 2,5 • 0,5 Н > 1,25

ГОСТ 10316-78 распространяется на стеклотекстолит фольгированный толщиной от 0,5 до 3 мм. Для данной ПП был выбран стеклотекстолит, облицованный с двух сторон медной электролитической гальвано стойкой фольгой толщиной 35 мкм. Согласно формуле (2.2) можно рассчитать толщину ПП:

Н = Н_м + п • h_ф = 1,5 + 2 • 35 • 10^-3 = 1,57 мм.

Тем самым, условие (2.1) выполняется:

1,57 > 1,25

Обозначение материала ПП: стеклотекстолит СФ-2-35Г-1,5 ГОСТ 10316-78.

Расчет элементов печатного рисунка. Расчет печатного монтажа состоит из трех этапов: расчет по постоянному и переменному току и конструктивно-технологический расчет.

Минимальная ширина печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления рассчитывается по формуле (2.4):

(2.4)

где I_mах — максимальный ток по микросхемам, А;

t — толщина фольги, мм;

j_доп - допустимая плотность тока (зависит от метода изготовления ПП), А/мм² .

Применяемые в настоящее время методы изготовления ПП можно объединить в три группы:

1. Химический методы предполагают получение рисунка проводников за счет удаления участков фольги с пробельных мест в основном химическим способом - травлением. Недостатком этих методов является отсутствие металлизированных отверстий. Применяются они для производства не сложных ОПП.

2. Аддитивный метод предусматривают нанесение рисунка проводников на диэлектрическое (нефольгированное) основание путем электрохимического осаждения меди и металлизацию отверстий в одном технологическом процессе.

3. Комбинированные методы получаются от сочетания химического и электрохимического методов. Для ПП берут фольгированное с двух сторон основание, рисунок проводников получают травлением фольги, а монтажные и переходные отверстия металлизируются электрохимическим методом. Комбинированные методы бывают двух видов: негативный и позитивный, которые отличаются друг от друга порядком выполнения операций. Наибольшее распространение получил комбинированный позитивный метод с применением сухих пленочных фоторезисторов.

Каждый из приведенных методов имеет свои достоинства и недостатки и может быть эффективно применен в конкретных условиях производства. Таким образом, для проектируемой ПП был выбран комбинированный позитивный метод.

Определившись с методом изготовления ПП, можно рассчитать минимальную ширину печатного проводника (формула (2.4)):

Расчет диаметров отверстий под микросхемы, гнездо и монтаж производился по формуле (2.3), равняется:

• для микросхем d = 0,7 мм;

• для розетки d = 0,9 мм.

(2.5)

Д ля монтажа был выбран d = 0,4 мм (в соответствии со способом крепления). Минимальный диаметр для переходных отверстий определяется по формуле (2.5):

где I — сила тока в цепи (в качестве силы тока был выбран максимальный ток по микросхемам I_mах = 680 • 10^-3 А).

Таким образом

Расчет диаметров контактных площадок выполняется по формуле (2.6):

d_mai = d + ∆d + (0,1÷0,15), (2.6)

где ∆d — допуск на отверстие (для 4 класса точности с металлизацией).

Для микросхемы: d_max = 0,9 + 0,1 + 0,1 = 1,1 мм.

Для гнезда: d_max = 1,1 + 0,1 + 0,1 = 1,3 мм.

Для переходного отверстия: d_max = 0,5 + 0,1 + 0,1 = 0,7 мм.

Минимальный эффективный диаметр контактных площадок рассчитывается по формуле (2.7):

(2.7)

где b_м — расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки, b_м = 0,025 мм;

δ_д — допуск на отверстие, δ_д = 0,05;

δ_р — допуск на расположение контактных площадок, δ_р = 0,1.

Для микросхем:

Dimin = 2 • (0,025 + + 0,05 + 0,1) = 1,45 мм.

Для гнезда:

Dimin = 2 • (0,025 + + 0,05 + 0,1) = 1,65 мм.

Для переходных отверстий:

Dimin = 2 • (0,025 + + 0,05 + 0,1) = 1,05 мм.

Минимальный диаметр контактной площадки рассчитывается по формуле (2.8):

(2.8)

где h_ф — толщина фольги, h_ф = 35 мкм.

Для микросхем: D_min = 1,45 + 1,5 • 0,035 + 0,03 = 1,54 мм.

Для гнезда: D_min = 1,65 + 1,5 • 0,035 + 0,03 = 1,74 мм.

Для переходных отверстий: D_min = 1,05 + 1,5 • 0,035 + 0,03 = 1,14 мм. Максимальный диаметр контактной площадки рассчитывается по формуле (2.9):

(2.9)

Для микросхем: D_max = 1,54 + (0,02 ÷ 0,06) = 1,6 мм.

Для гнезда: D_max = 1,74 + (0,02 ÷ 0,06) = 1,8 мм.

Для переходных отверстий: D_max = 1,14 + (0,02 ÷ 0,06) = 1,2 мм. Минимальная ширина проводников рассчитывается по формуле (2.10):

(2.10)

где b_1min — минимальная эффективная ширина, b_1min = 0,1 мм.

Подставив b_1min в формулу (2.10), получается:

b_min = 0,1 + 1,5 • 0,035 + 0,03 = 0,2 мм.

Максимальная ширина проводников рассчитывается по формуле (2.11):

b_max = b_min + (0,02 ^ 0,06) = 0,19 + 0,06 = 0,25 мм. (2.11)

В соответствии с формулой 2.4, была рассчитана минимальная ширина печатных проводников b_min для цепей питания и земли. Максимальная ширина проводников для цепей питания и земли рассчитывается по формуле (2.11)

b_max = b_min + (0,02 ^ 0,06) = 0,4 + 0,05 = 0,45 мм.

Минимальное допустимое расстояние между элементами (между проводником и контактной площадкой) рассчитывается по формуле (2.12):

где L₀ — расстояние между центрами рассматриваемых элементов, L₀ = 0,9 мм. Между проводником и контактной площадкой микросхемы:

Минимальное расстояние между двумя контактными площадками рассчитывается по формуле (2.14):

(2.14)

Для микросхем: S = 2,5 — (1,6 + 0,03) =0,9 мм.

Для гнезда: S = 2,5 — (1,8 + 0,03) =0,7 мм.

Схема размещения элементов на печатной плате представлена на рисунке 2.1

8	9 DD3	10
5 DD4	6 DD7	7 DD5
2 T	3 DD2	4 DD6
1 XS1

Рисунок 2.1 - Схема размещения элементов на плату печатную

Таким образом, параметры печатного монтажа отвечают требованиям, предъявляемым к платам 4-му классу точности. С помощью данных правил и схемы электрической функциональной (Приложение А) можно подготовить конструкторскую документацию (спецификацию, перечень элементов, схему электрическую принципиальную, чертеж печатной платы и сборочный чертеж - Приложение Б), для чего подходят следующие виды САПР: AutoCAD и Altium Designer.