Конструирование функционального узла микроэлектронной аппаратуры

Допустимые условия  эксплуатации:

• диапазон температур – (от минус 65 да плюс 150)°С;
• частота вибрации – от 10 до 2000 Гц;
• перегрузки от вибрации – 15g;
• ударные перегрузки – 20g;
• линейные перегрузки – 25g.

Установочная площадь всех резисторов на плате:

S_уст = 1,3· (L·D·4) = 1,3·4,3·1,9·4 = 42,48 мм²

Масса – 1 г;

 

 

 

В качестве конденсатора C1 будем использовать электролитический алюминиевый конденсатор (К50-35). Конструктивные параметры которого представлены в таблице 6:

Рисунок 5 - Конденсатор К50-35

 

F(м)	D(мм)	L (мм)	d (мм)
3,0	5,0	12,5	0,6

Таблица 6 - Геометрические параметры конденсатора К50-3

 

Допустимые условия  эксплуатации:

• диапазон температур – (от минус 25 до плюс 105)°С;
• частота вибрации – от 10 до 500 Гц;
• перегрузки от вибрации – 10g;
• ударные перегрузки – 20g;
• линейные перегрузки – 25g.

Установочная площадь конденсаторов:

S_уст =1,3· (0,25·π·D) =1,3·0,25·3,14·5 = 14,79 мм²

Масса – 1 г;

 

В качестве конденсаторов C2, C3, будем использовать конденсаторы К10-17А, конструктивные параметры которого представлены в таблице 6 :

 

 

Рисунок 5 - Конденсатор К10-17А

 

A(мм)	D(мм)	L (мм)	d (мм)
4,0	5,0	7,5	0,6

Таблица 6 - Геометрические параметры конденсатора К50-3

Допустимые условия  эксплуатации:

• диапазон температур – (от минус 60 до плюс 125)°С;
• частота вибрации – от 10 до 2000 Гц;
• перегрузки от вибрации – 10g;
• ударные перегрузки – 20g;
• линейные перегрузки – 25g.

Установочная площадь  конденсаторов:

S_уст =1,3· (R·D·2) =1,3·5,6·5,0·2 = 72,8 мм²

Масса – 2,0 г;

 

Таким образом, общая  установочная площадь составит:

S_уст =58,5 + 42,48 + 14,79 + 72,8= 188,57 мм²

 

А масса элементов  усилительного устройства составит:

М =1,5 + 1·4 + 3 + 2·2= 8,5 г

 

2. Выбор материала для изготовления печатного узла

2.1 Материал основания печатной  платы

 

 

Печатная плата – пластина, выполненная из диэлектрика, на которой сформирована (обычно печатным методом) хотя бы одна электропроводящая цепь. Печатная плата (ПП) предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов или соединения отдельных электронных узлов. Электронные компоненты на ПП соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка, обычно пайкой, или накруткой, или склёпкой, или впрессовыванием, в результате чего собирается электронный модуль (или смонтированная печатная плата).

Классификация печатных плат по видам представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Классификация печатных плат

Ввиду несложности размещаемого устройства, из соображений рациональности вполне достаточно однослойной, односторонней  печатной платы.

Материалы, наилучшим  образом подходящие для изготовления односторонних печатных плат представлены в таблице 7.

 

 

Таблица 7 - Характеристика материалов для изготовления печатных плат

В наибольшей степени требованиям удовлетворяет односторонний фольгированный стеклотекстолит марки СФ-1-35, ввиду большего значения поверхностного и объёмного сопротивлений, а также меньшего значения тангенса угла диэлектрических потерь.

2.2 Метод изготовления печатной  платы

Для субтрактивных методов  характерно использование фольгированных материалов с химическим удалением  проводящего слоя. Эти методы отличает простота  технологических процессов, однако при их использовании получить  соединение  слоев можно  только  с помощью металлической арматуры (заклепки, штыри) или с помощью выводов ЭРЭ. В зависимости от способа формирования защитного рисунка на проводящем  слое  заготовки существует  три  разновидности субтрактивной технологии − фотохимический, офсетохимический и сеточно-химический способы.

Фотохимический способ предусматривает нанесение на  фольгированный  материал  фоторезиста  и  засветку  его  через  фотошаблон  с  травлением фольги

 

 после формирования  рисунка. Этот метод  обладает  наивысшей точностью, 

не требует сложного оборудования и позволяет легко  перестраивать производство  на  новые виды печатных плат. Используется  в  серийном и опытном производстве при большой номенклатуре сложных плат.

Офсетохимический  способ  предусматривает  печатание  позитивного  изображения офсетным способом кислотощелочестойкой краской, обладает большой производительностью  и используется в крупносерийном производстве при малой номенклатуре печатных плат.

Сеточно-химический способ  предусматривает печатание  позитивного  изображения кислотощелочестойкой краской через сеточный трафарет (трафаретная печать). Обладает максимальной производительностью. Применяется  в крупносерийном  и массовом  производстве  при  малой  номенклатуре печатных плат. Из полуаддитивных технологий наиболее широко применяется комбинированный  позитивный  метод,  позволяющий  производить  металлизацию отверстий.  В  данном  случае  на  поверхности  просверленных  или  пробитых отверстий химически осаждается медь, а затем производится ее гальваническое наращивание до необходимой толщины. В качестве материала основания применяются фольгированный гетинакс или текстолит с толщиной фольги 35 или 50  мкм. Поскольку электрохимическое осаждение меди  происходит  не только  в  отверстиях,  но  и  на  проводящих  участках,  толщина  проводников получается очень большой. Этот недостаток устраняется при использовании полуаддитивного метода, при котором в качестве материала основания применяется слофадит с толщиной фольги 5 мкм.

К механическим методам  изготовления ПП относят фрезерование, при котором удаление фольги  проводится  на  специальных  координатно-фрезерных  станках.

В качестве наиболее простого и дешёвого способа был выбран химический метод.

 

 

 

         2.3 Защитные покрытия печатной платы и печатного узла

 

Как правило, печатные платы подвержены влиянию окружающей среды (пыль, грязь, влага, микрофлора и др.). Кроме того, печатные проводники на наружных слоях оказываются просто без электрической изоляции, что может стать причиной различного рода отказов в работе узла. Все эти проблемы решаются при помощи защитного изоляционного покрытия. В простейшем случае плата после монтажа всех элементов покрывается лаком (одним или несколькими слоями). Лак наносится методами окунания, полива или распыления, и под ним оказываются не только все проводники, но и элементы, что не всегда желательно. Некоторые элементы просто не допускают лакировки, например соединители, различные лепестки, контакты и ряд микросхем. Основные характеристики защитных лаков приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Основные характеристики защитных лаков

Лаком для предохранения печатного рисунка от воздействия климатических факторов внешней среды будет лак Э-4100 ТУ ЯН-35-58.

 

После протравки печатной платы, рисунок, для улучшения качества пайки следует обработать сплавом Розе. Выбор данного сплава обусловлен наилучшим образом подходящей температурой плавления. В этой плоскости сплав Вуда не подходит. Прочие припои имеют более высокую цену по сравнению со сплавом Розе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет основных конструкторских параметров печатной платы

 

3.1 Размеры печатной платы

При разработке печатной платы часто пользуются понятием установочной площади. Она учитывает зазоры, которые необходимы для работы укладочного инструмента.

При определении полной площади платы вводят коэффициент  заполнения (К_з). Для стационарной наземной РЭА коэффициент заполнения принимается равным 0,4. Поскольку установочная площадь отдельных элементов была вычислена ранее, полная площадь с учетом коэффициента заполнения:

 мм²,

где N – количество компонентов  на плате;

S_уст – установочная площадь отдельных элементов

Теперь в соответствии с предпочтительными размерами печатных плат по ГОСТ 10317-79, учитывая кратность сторон числу 2,5, при длине печатной платы до 100 мм, итоговые размеры печатной платы без учета краевых полей:

Д×Ш = 34×14 мм

Так как шаг координатной сетки  для функционального узла был выбран 1,25 мм, то размеры краевых полей составят один шаг сетки, то есть 1,25 мм.

С учетом краевых полей  общая площадь печатной платы  составит:

S_пп = S + S_кп = 593,625 мм², где

S_кп = 122,2 мм² – площадь краевых полей

В итоге, так как по техническому заданию не требуется плата оригинальной формы, выбрана прямоугольная форма печатной платы. Полученной установочной площади соответствует плата с линейными размерами 37×16 мм².

Масса элементов равна  примерно 8,5 грамма.

4. Разработка конструкции узла

 

4.1. Расчет электрических параметров печатной платы

 

 

Расчет номинального диаметра отверстий, мм, неметаллизированных, металлизированных производится по формуле:

d = d_в + (0,2…0,3) ,

где d_в – диаметр вывода элемента

Тогда для следующих элементов номиналы диаметров составят:

Стабилизатор напряжения КР142ЕН8А:

d = 0,8 + (0,2…0,3) = 1,0…1,1 мм.

Диоды 1N5402:

d = 0,7 + (0,2…0,3) = 0,9…1,0 мм.

Конденсатор (К50-35) и конденсатор К10-17А:

d = 0,6 + (0,2…0,3) = 0,8…0,9 мм.

Рассчитаем диаметр  зенковки по формуле:

d_з = (0,3…0,5)d.

Диаметры зенковки для  элементов составят, мм:

Стабилизатор напряжения КР142ЕН8А:

d_з = (0,3…0,5) · (0,8 + (0,2…0,3)) = 0,3…0,55 мм.

Диоды 1N5402:

d_з = (0,3…0,5) · (0,7 + (0,2…0,3)) = 0,27…0,5 мм.

Конденсатор (К50-35) и конденсатор К10-17А:

d_з = (0,3…0,5) · ( 0,6 + (0,2…0,3)) = 0,24…0,45 мм.

Номинальный диаметр  контактной площадки, мм, рассчитывается по формуле:

d_к = d + 0,9.

Для следующих элементов номиналы диаметров составят:

Стабилизатор напряжения КР142ЕН8А

 

 

d_к = 0,8 + (0,2…0,3) + 0,9 = 1,9…2,0 мм.

Диоды 1N5402:

d_к = 0,7 + (0,2…0,3) +0,9 = 1,8…1,9 мм.

Конденсатор (К50-35) и конденсатор  К10-17А:

d_к = 0,6 + (0,2…0,3) + 0,9 = 1,7…1,8 мм.

Ширина проводников «в»;

                                                                

b=1,25 мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Расчёт электрических параметров  печатной платы

 

5.1 Расчёт ёмкости в печатном монтаже

 

 

 

Формула для определения ёмкости  в печатном монтаже следующая:

С = 8,85·έ·с_г·l , где

8,85 – диэлектрическая постоянная, пФ/м;

έ = 0,5(e_rп + e_rср), эффективная диэлектрическая проницаемость; e_rп, e_rср – относительная диэлектрическая проницаемость материалов платы и среды, граничащих с проводниками (для односторонних печатных плат);

с_г – геометрическая емкость;

l – длина проводников, образующих емкость, м.

Диэлектрическая проницаемость для лакового покрытия e_rср = 4.

Геометрическая емкость определяется из выражения:

с_г = K’/K ,

где К и K’ – полные эллиптические интегралы определяемые по таблицам [7].

Где в свою очередь К = f(a) и К’ = f(a’), а a=arcsin k и a’=arcsin k’.