1.3.5. Материал токопроводящего покрытия

В большинстве случаев при изготовлении печатных плат в качестве токопроводящего покрытия используют медную фольгу. Ранее, если плата предназначалась для приварки выводов компонентов и проводов, применяли никелевую фольгу или нержавеющую сталь.

Преимущественное использование меди обусловлено ее хорошей проводимостью, способностью принимать на себя другие покрытия, хорошей пластичностью и однородностью с материалами металлизации отверстий, которые тоже выполняются медью.

Производство тонкой медной фольги является технически сложной задачей, решаемой несколькими способами, в результате чего получают: электролитическую стандартную фольгу, электролитическую высокой пластичности, электролитическую отожженную фольгу и др. Подробнее о способах изготовлении фольги можно прочитать в [4].

1.3.6. Элементная база

При выборе элементной базы следует учитывать основные технические характеристики элементов, условиях их эксплуатации, конструктивные особенности и стоимость.

Должны быть изложены соображения, приведенные в пользу каждого конкретного выбранного элемента, также приведены его основные характеристики (в виде таблицы) и габаритный чертеж корпуса.

Для выбора элементов следует использовать отраслевые и фирменные справочники и каталоги, а также справочники фирм-производителей.

1.3.7. Расчет печатной платы

Основные параметры конструкции печатных плат, односторонних (ОПП), двусторонних (ДПП), многослойных (МПП), а также гибких печатных кабелей (ГПК) устанавли­ваются в соответствии с [34].

Все изготавливаемые печатные платы, должны соответствовать классам точности. Стандарт устанавливает пять классов точности печатных плат в соответст­вии со значениями основных параметров и предельных отклонений элементов конструк­ции). В общем случае классы точности отличаются наименьшим номинальным размером в узком месте платы.

Платы 1-го и 2-го классов точности просты в изготовлении, дешевы, не требуют для своего изготовления оборудования с высокими техническими показателями, но не отличаются высокими показателями плотности компоновки и трассировки. Для изготовления плат 4-го и 5-го классов требуется специализированное высокоточное оборудование, специальные материалы, идеальная чистота в производственных помещениях, вплоть до создания «чистых» участков (гермозон) с кондиционированием воздуха и поддержанием стабильного температурно-влажностного режима. Технологические режимы фотохимических, гальванических и химических процессов должны поддерживаться с высокой точностью. Массовый выпуск плат 3-го класса освоен большей частью отечественных предприятий, поскольку для их изготовления требуется рядовое, хотя и специализированное оборудование, требования к материалам и технологии не слишком высоки [8].

На рисунках приведены буквенные обозначения размеров конструкции односторонних (рис. 1.9) и двусторонних (рис. 1.10) печатных плат.

Рис. 1.9. Односторонняя печатная плата (ОПП):

h_п – толщина ПП; h_м – толщина материала основания ПП; h_ф – толщина фольги; D – диаметр контакт­ной площадки; b – гарантийный поясок контактной площади; d – диаметр отверстия; s – расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка; t – ширина печатного проводника; Q – расстояние от края ПП до элементов проводящего рисунка

Рис. 1.10. Двусторонняя печатная плата (ДПП):

h_пс – суммарная толщина ПП; h_пк – толщина химикогальванического покры­тия; h – толщина проводящего рисунка; l – расстояние между центрами (осями) элементов конструкции ПП

Толщину печатной платы h_п определяют толщиной мате­риала основания с учетом толщины фольги h_ф.

1.3.7.1. Размеры печатной платы

Размеры каждой стороны печатной платы должны быть кратными: 2,5 – при длине до 100 мм; 5,0 – при длине до 350 мм; 10,0 – при длине более 350 мм.

Максимальный размер одной сторон должен быть не более 470 мм [32].

Соотношение линейных размеров сторон печатной платы должно быть не более 3:1 (по согласованию с заказчиком допускается увеличение указанного соотношения).

Основной шаг координатной сетки должен быть равным 0,50 мм в обоих направлениях, дополнительный шаг должен быть кратен 0,05 мм [31].

1.3.7.2. Размеры элементов конструкции печатной платы

Наименьший номинальный диаметр D контактной площадки рассчитывается по формуле [34]:

, (1.5)

где d – диаметр монтажного или переходного отверстия, мм; Δd_в.о. – верхнее предельное отклонение диаметра монтажного отверстия, мм; b – гарантийный поясок контактной площадки, мм; Δt_в.о. – верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки, мм; Δd_тр – значение подтравливания диэлектрика в монтажном отверстии, мм; T_d – допуск на расположение осей отверстий, мм; T_D – допуск на расположение центров контактных площадок, мм; Δt_н.о. – нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки, мм.

Численные значения величин, кроме диаметра отверстия d, для каждого класса точности приведены в табл. П.1.4.

Диаметр отверстия d должен быть выбран из ряда 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4; 2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3,0 мм [32], при этом значение выбирается из соображений близости к расчетному

, (1.6)

где – отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы (см. табл. П.1.4); h_п – толщина печатной платы.

Номинальное расстояние l для прокладки n-го количества проводников между двумя контактными площадками рассчитывают по формуле:

, (1.7)

где D₁, D₂ – диаметры контактных площадок, мм; t – минимальное значение ширины проводника, мм; n – количество проводников, шт.; s – номинальное расстояние между проводниками, мм; T_l – позиционный допуск на расположение проводника, мм (см. табл. П.1.4).

Если предусмотрена автоматизированная установка элементов на плату, то, независимо от класса точности печатной платы, позиционный допуск T_d на расположение осей крепежных отверстий устанавливают по 4-му классу, а для монтажных отверстий по 3-му классу.

Центры отверстий должны располагаться в узлах координатной сетки. В случае если шаг выводов элемента не кратен шагу коорди­натной сетки, одно из отверстий принимается за основное и располагается в узле координатной сетки, другие отверстия для этого элемента располагаются в соответствии с его чертежом.

1.3.7.3. Электрические параметры печатных плат

Основные требования к электрическим параметрам печатных плат соответствуют [34] и отраслевым стандартам.

Сопротивление изоляции между элементами проводящего рисунка при минимальном расстоянии между ними для некоторых типов диэлектриков в различных климатических условиях приведено в табл. П.1.5.

Электрическая прочность изоляции между несвязанными элементами проводящего рисунка должна быть такой, чтобы не было пробоев и поверхностных перекрытий при действии в течение 1 минуты испытательных напряжений табл. П.1.6.

Значения допустимых рабочих напряжений между элементами проводящего рисунка, независимо от наличия электроизоляционного лакового покрытия, приведены в табл. П.1.7. Если напряжение в схеме выше указанных значений в табл. П.1.7, печатный монтаж применять не рекомендуется.

Сопротивление печатных проводников зависит от их толщины и ширины (табл. П.1.8).

Допустимые значения тока для печатных проводников приведены в табл. П.1.9. Плотность электрического тока в печатном проводнике для ОПП, ДПП и ГПК не должна превышать 20·10⁶ А/м².

Электрические параметры печатных плат регламентируются как в условиях эксплуатации, так и после транспортирования и хранения в определенных условиях. Одной из важных характеристик является сопротивление печатного проводника.

Постоянный ток распределяется в печатных проводниках равномерно, поэтому сопротивление R печатного проводника постоянному току:

, (1.8)

где ρ – удельное сопротивление материала проводника, Ом·мм²/м; m – длина проводника, мм; t – ширина проводника, мм; h – толщина проводника, мкм.

При этом предполагается, что материал проводника однороден и не имеет включений других веществ. Следует учитывать, что удельное сопротивление печатных проводников зависит от технологии изготовления. Например, для медной катаной фольги удельное сопротивление в нормальных условиях 0,0175 Ом·мм²/м, а для медных проводников, полученных электрохимическим методом, оно составляет 0,05 Ом·мм²/м, т. е. в 2 – 3 раза больше.

Для расчета омического сопротивления печатных проводников используют либо формулу (1.8), либо графические зависимости сопротивления от ширины t и толщины h печатного проводника (рис. П.1.1, а).

Сопротивление проводника при любой температуре Т₂, если известно сопротивление R_Т1 при температуре Т₁, определяется по формуле

, (1.9)

где α – температурный коэффициент изменения сопротивления.

Зависимость температурного коэффициента сопротивления (ТКС) меди от температуры показана на рис. П.1.1, б.

Переменный ток (в отличие от постоянного) распределяется в печатных проводниках неравномерно, что обусловлено возникновением поверхностного эффекта. При протекании по проводнику высокочастотного переменного тока внутри него образуется магнитное поле, вызывающее возникновение индукционного тока. В результате происходит перераспределение тока по сечению проводника. Ближе к наружной поверхности проводника плотность тока возрастает, а ближе к центру уменьшается. С увеличением частоты поверхностный эффект проявляется сильнее и во внутренних слоях проводника ток практически отсутствует. Оценивается поверхностный эффект величиной эффективной глубины проникновения тока:

, (1.10)

где ρ – удельное сопротивление материала проводника, Ом·мм²/м; f – частота переменного тока, МГц; – коэффициент, зависящий от свойств токопроводящего материала и покрытия, Ом·мм²/м (табл. П.1.10).

При расчете сопротивления печатного проводника переменному току используют понятие удельного поверхностного сопротивления, это сопротивление квадратной площадки со стороной 1 см:

, (1.11)

где – коэффициент (табл. П.1.10), Ом·мм²/м.

В итоге сопротивление плоских печатных медных проводников на высоких частотах равно

, (1.12)

где ξ – коэффициент концентрации тока на углах сечения проводника, мм^-3.

Зависимость ξ от отношения ширины проводника t к его толщине h показана на рис. П.1.2.