Конструирование модуля цифрового устройства

=21*(14*4)+2*(7,3*7,3)+21*(13*7)+6*(6*6)+2*(15*4)+1*(10,8*2,9)+1*(11*3,5)+

+1*(6,9*6,9)+1*(8,2*4)+1*(6,9*6,9)+2*(6,8*6.8)+1*(14,6*4,4)+1*(21,8*8,5)+1*(21,8*8,5)+ 

+1*(20,5*8,5)+3*(21,8*8,5)=1176+106,58+1911+216+120+31,32+38,5+47,61+32,8+47,61+ 

+92,48+64,24+185,3+185,3+174,25+185,3=4429 мм² 

- коэффициент, зависящий от типа конструкции платы и приоритетных требований к конструкции. Для ДПП берется в интервале (1,5…2,5). Поскольку нашим требованием является низкая себестоимость, примем коэффициент = 2,5.

Тогда площадь зоны размещения компонент будет равна: 

=2,5*4429=11073 мм² 

Расчет  площади зоны для размещения соединителя. 

   Площадь зоны для соединителя с прямоугольным корпусом и размещаемого на краю платы определяется по формуле: 

,     где Lc и Bc  -  габаритные размеры соединителя. 

(21,2+20)*(8,75+10)=773 мм² 

Зона  для размещения элементов  крепления модуля 

   В нашем случае элементами крепления модуля  служат  винты. Размеры зон выбираются по формуле

    

Где  Sкр площадь элемента крепления

Sполя - площадь краевого поля, которая берется по периметру площади, занимаемой элементом крепления.

   Для крепления платы используются винты М2 (диаметр резьбы 2 мм). Тогда = 4 . Ширина краевого поля равна 5 мм, тогда . Получаем .

Найдем площадь зоны для размещения элементов крепления: . 

Зона  для маркировки 

   Маркировка наносится в зоне для установки компонент. Это делается для маркировки позиционных обозначений компонент, их номиналов, типа компонента. 

Краевые поля ПП. 

   Краевые поля ПП это поля по периметру платы, на которых не могут размещаться элементы печатного монтажа. Выберем краевые поля, равные 5 мм. В нашем случае на краевых полях размещается зона для соединителя. 

   Теперь необходимо скомпоновать конструкторско-технологические зоны. Сначала выбираем размеры зоны для размещения компонент 120x100 мм (12000 мм²). После к этим размерам добавим размеры зоны для соединителя, получим 130x100 мм. Осталось по периметру ПП ввести краевые поля шириной 5мм.

В результате мы получили габариты нашей ПП:  140x110 мм.

Полученные  размеры ПП удовлетворяют требованиям  ГОСТ:

    -соотношение  длины к ширине не более  3,

    -размер  по ширине рекомендуется выбирать  из ряда: 20, 30, 40, 45, 50, 60, 75, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140,150, 160, 170, 200 мм. 

6.5. Размещение компонент на ПП

   Задача компоновки и размещения компонент на плоскости платы является сложной комбинаторной задачей, при решении которой конструктор должен предусмотреть:

    -обеспечение  наиболее простой трассировки,

    -обеспечение  требуемой плотности размещения,

    -учет  тепловых режимов,

    -учет  механических воздействий,

    -обеспечение  быстродействия,

    -обеспечение  технологических требований. 

Необходимо выполнять  следующие рекомендации:

    1.Компоненты, имеющие большое число внешних  связей располагать ближе к  соединителю.

    2.Компоненты, имеющие большое число взаимных  связей, устанавливать рядом.

    3.Крупногабаритные  компоненты устанавливать ближе  к элементам крепления модуля.

    4.Микросхемы  по возможности  располагать  рядами с одинаковой ориентацией.

    5.Дискретные  компоненты располагать в ортогональных направлениях.

    6.Выводы  компонент располагать в узлах  координатной сетки. Если шаг  выводов компонента не соответствует шагу координатной сетки, то в узле располагается первый вывод компонента.

    7.Теплонагруженные  элементы располагать равномерно по площади платы.

    8. Помехочувствительные компоненты  не размещать рядом с компонентами, которые могут быть источниками  помех.

    9.Если  схема содержит цифровую и  аналоговую части, то следует  их на плате по возможности разместить на разных участках, так как чувствительные аналоговые элементы, например, компараторы, могут ложно срабатывать при переключении цифровых схем.

    10.Если  схема содержит последовательные  каскады, то целесообразно их  размещать в той же последовательности.

    11. При наличии в схеме информационных шин, компоненты подключаемые к этой шине, стараться расположить по возможному направлению шины.

    12.Компоненты, требующие особых мест размещения, например, цифровые индикаторы, органы управления, устанавливаемые на печатной плате, должны быть строго привязаны к заданным координатам.

6.6. Определение толщины ПП

Толщина платы  выбирается из условий:

    1.Толщину  платы рекомендуется выбирать  из предпочтительного ряда значений  толщины для ОПП и ДПП. Предпочтительными   являются значения: 0,8; 1,0; 1,5; 2,0 мм. для стеклотекстолита и 1,0; 1,5; 1,0; 3,0 мм для гетинакса.

    2.Отношение  минимального диаметра отверстия  к толщине должно быть не  менее величины установленной стандартом для данного класса. Например, для 3-го класса точности это отношение должно быть не менее 0,33. Для качественной металлизации отверстий рекомендуется отношение для всех классов брать не менее 0,4.

    3.Длина  штыревого вывода, выступающего  из отверстия платы должна  быть не менее 0,5 мм для обеспечения  надежной пайки.

    5.Учет механических нагрузок. При значительных механических нагрузках (Ударных, вибрациях) толщину платы необходимо брать больше.

    6.Учет  конструктивных особенностей модуля  и способа его закрепления  в конструкции 2-го уровня. Для  бескаркасных конструкций толщину платы необходимо взять не менее 1 мм. Для жесткого крепления платы, например точечное крепление винтами, толщину платы можно брать небольшой, например 0,8-1 мм.

    7.Толщина  платы определяется используемым  материалом для основания ПП. Для стеклотекстолита берутся меньшие толщины, чем для гетинакса.  

   Из ряда значений для толщины ПП для ДПП выбираем ширину 1,5 мм. Данное значение удовлетворяет критерию соотношения минимального диаметра отверстия к толщине ПП. Выбранное значение также удовлетворяет критериям, учитывающим конструктивные особенности модуля и возможные механические нагрузки. 

6.7. Выбор материала основания ПП 

   При выборе материала основания ПП учитываем тип конструкции ПП, класс точности, климатические и механические воздействия, стоимость. Необходимо выбрать либо гетинакс, либо стеклотекстолит. Для уменьшения себестоимости следовало бы выбрать гетинакс, но он обладает невысокими диэлектрическими свойствами и неустойчив к влаге, что недопустимо для заданных климатических условий. Стеклотекстолит же имеет более устойчивые электрические характеристики, лучшие механические характеристики, более устойчив к внешним воздействиям. Поэтому в качестве материала основания ПП выбираем стеклотекстолит СФ-2-50. Толщина медной фольги 50 мкм.

6.8. Расчет элементов печатного рисунка

Диаметр монтажного отверстия.

   Диаметр рассчитывается с учетом диаметра вывода компонента, точности позиционирования отверстия, и необходимого зазора для обеспечения свободной установки вывода компонента при монтаже.

где:  -максимальное значение диаметра вывода компонента. Если сечение вывода имеет сложную форму, то в качестве диаметра принимается диаметр описываемой окружности.

r- зазор (разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода). Зазор выбирается конструктором для ручного монтажа из интервала (0,1–0,4) мм, а для автоматизированного монтажа и установки компонент – из интервала (0,4 – 0,5) мм.

- нижнее предельное отклонение  диаметра отверстия. 

 = 0,10. 

У нас  имеются следующие разновидности  диаметров выводов компонентов:

= 0,5 мм; 0,6 мм; 0,8 мм; 1 мм.

Для каждого  диаметра выводов найдем диаметр  монтажного отверстия. 

r = 0,2 :   0,5+0,2+0,10=0,8         =0,8 мм

r = 0,1 :   0,6+0,1+0,10=0,8         =0,8 мм

r = 0,2 :   0,8+0,2+0,10=1,1         =1,1 мм

r = 0,2 :   1+0,2+0,10=1,3            =1,3 мм 

После определения  размеров диаметров необходимо проверить  условие:

где H – толщина ПП,

-коэффициент, определяемый классом  точности, для 3 класса точности  равен 0,33.

Если соотношение  не выполняется, то диаметр увеличивают.

Условие выпоняется. 

Расчет  расстояния от среза  платы или от не металлизированного отверстия до элемента печатного рисунка. 

   Расстояние от края платы, от среза платы или от не металлизированного отверстия до элемента печатного рисунка определяется классом точности и толщиной платы. Необходимость расчета этого расстояния обусловлена необходимостью задания барьеров для трассировки.

  Это расстояние можно посчитать отдельно для печатного проводника и отдельно  для контактной площадки. С целью унификации выполняется расчет только для контактной площадки, так как это расстояние оказывается больше, чем для проводника.

q- величина скола. Определяется по таблице,

K-расстояние от скола. Определяется классом точности. Для 1,2 классов принимается равной 0,3 мм, для 3,4 классов- 0,15 мм , для 5-го класса -0,1 мм.

-позиционный допуск расположения  центра отверстия определяется по таблице.

-позиционный допуск расположения  центра контактной площадки определяется  по таблице.

- верхнее предельное отклонение  диаметра  контактной площадки, определяется  по таблице. 

Таблица для определения зоны скола края платы.

Толщина платы	Класс точности
	3
До 0,5 мм включительно	0,15
0.5-0.8 мм	0,2
0,8-1,0 мм	0,25
1,0-1,5 мм	0,35
1,5-2,0 мм	0,5
2,0-2,5 мм	0,7

 

Таблица для определения позиционного допуска  центра контактной площадки

Размер ПП по большей стороне	Класс точности
	3
До 180 мм	0,15
180-360 мм	0,20
Свыше 360 мм	0,25

 

Таблица для определения позиционного допуска  центра отверстия

Размер  ПП по большей стороне	Класс точности
	3
До 180 мм	0,08
180-360 мм	0,10
Свыше 360 мм	0,15

 

В нашем  случае мм, мм, мм, мм.