§2.7. Разработка конструкций электрических соединений на основе печатных плат

Разработка конструкции электрических соединений РЭС осу­ществляется на основе системного подхода, который рассмотрим применительно к разработке конструкции печатной платы цифро­вого устройства. Эта задача особенно актуальна для одноплатных конструкций микроЭВМ, доля которых к 1995—2000 гг. составит 80...90% всех выпускаемых ЭВМ. Переход на одноплатные S конструкции обусловлен достижениями в технологии (освоение выпуска БИС микропроцессоров и полупроводниковых ЗУ).

Исходными данными для проектирования одноплатной конст­рукции являются: 1) принципиальная электрическая схема, которая определяет число элементов и характер связей между ними, число и характер внешних связей, элементную базу (степень интеграции, защищенность от внешних воздействий, номиналы напряжений питания, геометрические размеры, помехоустойчи­вость, быстродействие, нагрузочная способность; входное и выход­ное сопротивления и емкость и т. д.); 2) технические требования к конструкции — условия работы (объект установки, температур­ный диапазон, характер механических и климатических воздей­ствий, уровень внешних электромагнитных помех); конструктив­ные ограничения — требования по типизации, унификации, преем­ственности; технологические ограничения (тип производства, но­менклатура освоенных технологических процессов и т. д.)

При разработке электрических соединений на основе печатной платы определяются: 1) конструкторско-технологический тип пла­ты, ее класс плотности, материал основания, 2) площадь, габариты и соотношение размеров сторон платы; 3) параметры элементов платы (ширина проводников и размер зазоров, размеры отверстий и контактных площадок и т. д.); 4) размещение элемен­тов; 5) рисунок печатных трасс.

При выборе конструкторско-технологического метода изготов­ления печатной платы, который, как правило, определяет плот­ность компоновки, учитываются возможности различных методов (см. табл. 2.5, 2.6, 2.8, 2.9), а также стоимость производства и эксплуатации. Стоимость производства Н, имеющая размерность нормо-ч/дм², зависит (рис. 2.39) от сложности механической обработки, характеризуемой параметром (число отверстий на квадратный сантиметр платы), класса плотности платы (имеется три класса плотности, см. табл. 2.3), числа слоев платы . При выборе материала основания учитываются требо­вания по стоимости, теплоотводу, прочности, согласованности ТКЛР платы и навесных элементов, возможностям формовки, диэлектрической проницаемости е, потерям ( ), электрической прочности, влагостойкости.

При производстве бытовой аппаратуры используются конструкторско-технологические методы, позволяющие получить РЭС низкой стоимости (ОПП, ДПП, выполненные по первому классу плотности), дешевые и недефицитные материалы основания (гетинакс, стеклотекстолит, эмалированная сталь). Для аппаратуры четвертого поколения используются конструкторскотехнологические методы, позволяющие получить высокую плотность компоновки и надежность; стоимость в этом случае играет второстепен­ную роль.

Рис. 2.39. Зависимость удельной трудоемкости изготовления печатных плат в нормо-часах на квадратный дециметр (нормо-ч/дм²) от плотности размещения отверстий (а), класса плотности (б), числа слоев (в) при серийном производстве

Для бортовой аппаратуры используют ИС в микрокорпусах либо в бескорпусном исполнении, для размещения которых требуются МПП из стеклотекстолита, полиимидной пленки, керамики, выполненные по третьему классу плотности и выше (аддитивные и полуаддитивные методы). Основания из металла используют для теплонапряженных плат (источников питания) и когда надо обеспечить высокую механическую прочность или сложную форму. На выбор материала основания влияет час­тотный диапазон сигналов. Для плат, работающих в диапазоне ВЧ, выбирают материал с малыми значениями и (стекло­текстолит, фторопласт, гетинакс, текстолит), а для плат, работаю­щих в диапазоне СВЧ,— материалы с большим значением е (что позволяет уменьшить размеры плат) и малыми потерями (ситалл, поликор, керамика 22ХС, оксид бериллия ВеО, брокерит Ве₂О₄, фольгированные диэлектрики на основе фторопласта или смесей органической связки с неорганическими наполнителями, имеющими ).

При определении площади платы, габаритов и соотношения размеров сторон системность подхода заключается в необходимости учета следующих факторов: площади размещаемых на плате элементов и площади вспомогательных зон; допустимых габаритов с точки зрения технологических возможностей и условий эксплуатации, числа контактов внешних связей, допустимой задержки распространения сигнала в линии связи, коробления плат. При определении площади платы суммарная площадь устанавливаемых на нее элементов умножается на ко6эффициент дезинтеграции, равный 1,5...3, и к этой площади прибавляется площадь вспомогательных зон, предназначенных для размещения соединителей, направляющих, элементов фиксации, крепления, индикации, фильтрации и т.д. Дезинтеграция осуществляется с целью обеспече6ния зазоров для размещения лини6й связи, теплоотвода, доступности к элементам роботов и манипуляторов. Чрезмерное уменьшение зазоров между элементами на плате может привести к увеличению напряженности теплового режима и, как следствие, к увеличению объема системы охлаждения. Максимальные габариты плат (особенно МПП) ограничиваются их жесткостью (при малой жесткости может произойти обрыв печатных проводников уже в производстве), а также требованиями по точности (для плат первого класса плотности 470x470 мм, для плат второго класса 240x240 мм, для плат третьего класса 170x170 мм). Совершенствование технологии может принести к изменению приведенных значений. Габаритные размеры плат могут определяться и требованиями по жесткости в условиях эксплуатации. Необходимо уменьшать длину и ширину и увеличивать толщину плат высокой жесткости по сравнению с габаритами, допускаемыми при их производстве. При определении габаритных размеров следует учитывать, что размеры платы должны быть кратны некоторо­му модулю (2,5 мм для плат "20 тыс. логических со стороной до 100 мм, 5 мм элементов для плат со стороной до 350 мм, 10 мм для плат со стороной более 350 мм).

Рис. 2.40. Зависимость числа сигналь­ных контактов N для внешних соеди­нений от числа элементов С логического функционального узла

Если плата вы­полняется для устройства, по­ставляемого на экспорт, или для микроЭВМ, то в качестве минимального модуля берется размер 2,54 мм или кратный ему размер мм.

Соотношение сторон печатной платы зависит от допустимой задержки распространения сигнала в линии связи, числа контактов внешних связей, меха­нической прочности и жесткости платы, допустимого коробления платы. Быстродействие логических узлов зависит не только от быстродействия логических элементов, но и от задержки сигналов в линиях связи. Считается, что задержка сигнала в линии связи должна быть примерно равна скорости срабатывания (длитель­ности фронта) элемента. Поэтому для сигнала с не при удельной задержке распространения сигнала в линии связи 5 нс/м максимальная длина линии связи не должна превышать 0,3 м. Это выдерживается, например, для платы с размерами сторон 170 75 мм, где наибольшая длина линии связи составляет 170+75=245 мм. Контакты для внешних связей располагаются на плате с шагом 2,5 или 1,25 мм, иногда допускается шаг 0,625 мм. В зависимости от сложности узла число контактов на плате может достигать нескольких сотен или тысяч (рис. 2.40, 2.41, табл. 2.16). Зависимость, представленная на рис. 2.40, описывается формулой .

Таблица 2.16 Тенденции изменения некоторых характеристик полупроводниковых ИС

Характеристика	Годы
	1970	1975	1980	1985	1995
Минимальные размеры элементов, мкм Площадь кристалла, мм2 Число внешних выводов, шт. Степень интеграции	10...7 3...6 6...18 2...3	5 25 40 3...4	3 56,3 64 4...5	2 56,3 256 5...6	Менее 1 100 512...1024 6...7

Это отношение справедливо только для логических узлов; число внешних выводов устройств памяти, имеющих регулярную структуру, меньше. Кроме того, предполагается, что информация передается в параллельном коде (для последовательного кода требуется меньшее число выводов) и узел не является законченным логическим устройством (в противном случае число внешних выводов также меньше). Можно несколько уменьшить длину стороны платы, предназначенной для размещения контактов внешних связей, размещая их в несколько рядов (смещая контакты в рядах на определенный шаг), но при большом числе контактов часто это не позволяет расположить их на одной стороне и приходится занимать вторую (противоположную) сторону. В этом случае стороны, не занятые контактами, целесообразно делать короче, чтобы сократить время распространения сигнала. Из условий получения достаточной жесткости платы (см. гл. 5) следует, что отношение размеров сторон платы не должно превышать 3:1; разделение на платы меньшей площади невыгодно, так как при этом увеличивается трудоемкость сборки из-за необходимости выполнения межплатной коммутации.

При определении параметров элементов платы и структу­ры слоев системность подхода заключается в необходимости нахождения компромисса между экономически обоснованной точностью изготовления и требованиями по обеспечению электромагнитной совместимости (нестабильность волнового сопротивления линий связи, наличие емкостных, индуктивных и кондуктивных связей).

Толщина слоев МПП зависит от волнового сопротивления линии связи, а также от допустимой паразитной емкости между линиями связи, расположенными в соседних слоях. При емкости одного пересечения проводников от 0,1 до 1,5 пФ и 2000 пересечений для одной связи в пределах платы паразитная емкость может достигать 200...3000 пФ, что приведет к увеличению постоянной времени линии связи, увеличит нагрузку на передающую логическую схему.

Рис. 2.41. Зависимость числа внешних соединений N от числа ИС ( .) для типового элемента замены (а) и панели (б) ЕС ЭВМ

Волновое сопротивление линии связи зависит от толщины диэлектрического слоя, диэлектрической проницаемости материала, ширины проводников. Так как все эти параметры имеют разброс, то колеблется и волновое сопротивление линий связи как от платы к плате, так и в пределах платы (колебания могут достигать +10%). Структура платы определяется числом, толщиной и порядком расположения слоев.

Число слоев МПП зависит от степени интеграции ИС, устанавливаемых на плату элементов, общего их чис­ла и конструктивного исполнения. При увеличении степе­ни интеграции ИС (увеличении числа внешних выводов) чис­ло слоев платы уменьшается. Например, для схемы, содержащей 25 000 логических элементов, при использовании компонентов с 68 внешними выводами для соединения требуется четыре сигнальных слоя, а при увеличении числа внешних выводов до 200—только два. Число слоев МПП зависит также от конструктивного исполнения ИС. Так, корпус ИС с двумя рядами внешних выводов, занимающий в три раза большую площадь, чем керамический микрокорпус (кристаллодержатель), и в 10... 12 раз большую площадь, чем бескорпусные ИС (кристаллы), можно в ряде случаев разместить на ДПП. Для коммутации ИС в микрокорпусах необходимо около 6...8 слоев; еще больше слоев требуется для коммутации бескорпусных ИС.

Толщина МПП определяется числом слоев и их толщи­ной. Обычно шины питания, шины с нулевым потенциалом и сигнальные шины (линии связи) располагаются в различ­ных слоях, сигнальные — во внешних (там устанавливаются ЭРЭ и ИС), а шины питания и «земляные» шины — во внутрен­них слоях. Иногда наружные слои являются экранирующими; в этом случае в них выполняются окна для доступа к контактным площадкам на слоях, находящихся под экранирующими. Толщина ОПП определяется прочностью и жесткостью, а для ДПП и МПП с металлизацией сквозных отверстий (с целью облегчения гальванического меднения отверстий) требуется, чтобы отношение диаметра отверстий к толщине платы было не менее 0,4 для плат первого класса плотности и 0,33 для плат второго и третьего классов плотности. Толщина гибких печатных кабелей 0,06...0,3 мм; плат типа ОПП и ДПП — 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0 мм. Наибольшее распространение получили платы толщиной 1,0 и 1,5 мм. Толщина плат на металлическом основании 0,8 мм.

Размещение ЭРЭ и ИС на плате предшествует трассировке линий связи и во многом определяет эффективность трассировки. Системность подхода к размещению элементов заключается в том, что, с одной стороны, необходимо разместить элементы как можно более плотно, а с другой — обеспечить наилучшие условия для трассировки, электромагнитной и тепловой со вместимости, автоматизации сборки, контактирования и контроля. При размещении элементов цифровых узлов, как правило, используется регулярная структура фиксированных посадочных мест. Шаг размещения элементов указан в нормативной документации. При размещении элементов цифровых узлов всю схему делят на группы тесно связанных между собой (имеющих большое число связей) элементов. Группу, которая имеет наибольшее число связей с соединителями или контактными площадками внешних связей, размещают ближе к ним. Затем размещают группу, которая имеет наибольшее число связей с первой и т. д. При размещении логических элементов их можно менять местами, так как помехоустойчивость их достаточно высока. Иногда на плате цифрового узла имеются аналоговые схемы (усилители считанных с устройств памяти сигналов, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т. д.). В этом случае элементы аналоговой схемы располагаются на плате в последовательности, в которой они изображены на схеме, элемен­ты, относящиеся к одному каскаду, должны быть расположены ближе к осевой линии, общей для каскада. Вход и выход схемы должны быть максимально разнесены во избежание возникновения паразитных связей и изменения параметров усилительных кас­кадов (искажений, возбуждений, зависимости параметров от частоты). Не допускается менять местами элементы различных каскадов. Размещение элементов в этом случае осуществляется без выделения на плате фиксированных посадочных мест (из-за различия элементов по габаритам и форме).

При решении задачи трассировки линий связи системность подхода заключается в нахождении приемлемого компромисса с учетом схемотехнических (минимизация помех), конструкторских (минимизация числа слоев) и технологических (минимизация изгибов трасс, межслойных переходов, перемычек из объемного провода) факторов. При увеличении числа слоев трассировка упрощается, но стоимость платы растет. При малом числе слоев (ОПП, ДПП) стоимость платы снижается, но увеличивается сложность трассировки без перемычек, которые увеличивают стоимость сборки и снижают надежность платы. Трассировка печатных плат может осуществляться вручную, автоматизирован­ным или автоматическим методом. Таким образом, при проекти­ровании электрических соединений необходимо учитывать воз­можности технологических процессов и их стабильность.