Элементы конструирования печатных плат

3.7 Деформация печатных плат

Вообще говоря, деформация - естественное явление, свойственное композиционным материалам. Поэтому возможность и ограничение деформации предусматривается ГОСТ 23752. Тем не менее, отклонение формы ПП от плоской не удовлетворяют современным требованиям процессов сборки и монтажа печатных узлов и блоков. Если не будут приняты меры по принудительному выправлению ПП в плоскость, их искривленное состояние будет механически зафиксировано впаянными в них элементами. Особенно жестко фиксируют ПП длинные многовыводные контактные элементы: колодки, разъемы, трансформаторы и т.п. При установке ПП в блоки они вынужденно выпрямляются в плоскость за счет механического крепления или движения в направляющие блока. При этом могут возникать значительные напряжения, завершающиеся разрывом соединений. Характерно, что эти отказы не проявляются немедленно, их возникновение маскируется релаксационными явлениями в связующем диэлектрического основания ПП.

Деформация ПП происходит по многим причинам. Главные из них - это асимметрия структуры слоев МПП, неравномерные усадочные явления в стеклопластиках, из-за разной ориентировки переплетений ткани, неравномерное распределение температуры и момента затвердевания смолы при прессовании, неравномерный нагрев ПП в процессе пайки.

Асимметрия МПП - результат неправильного проектирования: используются односторонние слои, положение печатного рисунка которых относительно основания одинаково по всей структуре МПП, не уравновешен баланс двусторонних слоев, с ортогональной трассировкой проводников, применены разнотолщинные материалы, слои с различной насыщенностью печатного рисунка и разное количество прокладочной стеклоткани, несимметрично распределенные в структуре слоев МПП. В большинстве случаев причиной скручивания ПП является несбалансированность слоев с ортогональной трассировкой проводников.

Такая же асимметрия в структуре слоев МПП может возникать в результате использования материалов из разных партий, отличающихся температурой стеклования, текучестью и содержанием связующего и т.д. Неравномерность усадки эпоксидной смолы, взятой из разных партий материалов, используемых в МПП, - наиболее вероятная причина коробления, когда все другие причины ликвидированы.

В ряде случаев, плату можно попытаться выпрямить, терморихтовкой, т.е. нагревом и охлаждением плат под металлической ретиной. Но, если ее коробление вызвано несимметричностью конструкции, плата все равно вернется к деформированному состоянию.

Значительные деформации ПП могут возникать в процессе пайки, если не использовать приспособления, предотвращающие их искривление. Термомеханические напряжения, зарождающиеся в ПП из-за температурных градиентов, вызывают непредсказуемые коробления, которые не всегда обратимы. Особенно большие градиенты возникают при групповых методах пайки, если в процессе предварительного подогрева ПП не приобрела температуры, равной или немного более температуры стеклования связующего. Резкий перепад температур от стороны пайки в направлении монтажа сопровождается значительными напряжениями сдвига, которые могут вызвать не только коробление ПП, но и ее разрушение.

4. Плотность межсоединений

4.1 Методы увеличения плотности монтажа ПП

Существует четыре пути повышения плотности межсоединений и монтажа компонентов на печатных платах:

уменьшение размера отверстий и контактных площадок, чтобы высвободить пространство для трассировки проводников;

увеличение количества трасс между отверстиями за счет уменьшения ширины проводников и зазоров;

введение многоуровневых межсоединений: отказ от сквозных отверстий в пользу глухих и слепых межслойных переходов;

увеличение количества слоев.

Следует отметить, что большая часть аппаратуры выполнена с использованием двусторонних печатных плат. Если возникает необходимость в особо плотном монтаже, современные технологии и средства проектирования позволяют обойтись 6… 10 слоями.

4.2 Влияние размеров и форм контактных площадок на плотность трассировки

Существенным сдерживающим фактором увеличения трассировочной способности является большой диаметр контактных площадок вокруг сквозных металлизированных отверстий. По существу, контактная площадка является той мишенью, в которую должно попасть отверстие при сверлении. Для выполнения предназначенных ей функций контактная площадка должна охватывать металлизированное отверстие или, по крайней мере, должна исключать торцевую связь проводника с металлизированным отверстием на ограниченном участке, как показано на рис. 2.9. Надежность торцевой связи гораздо меньше, чем прочность связи контактной площадки с отверстием по окружности, большей 180е.

Поэтому считается, что надежное соединение обеспечивается лишь при наличии гарантированного пояска охвата отверстия контактной площадкой. Его минимальные размеры обычно принимаются равными толщине фольги. Расчет минимального размера контактных площадок производят из условий обеспечения минимальной ширины гарантированного пояска охвата, с учетом всех неизбежных погрешностей производства. Рис. 2.10 показывает соотношение геометрических и позиционных погрешностей, принимаемые в расчете. Грубый расчет размера контактных площадок на твердых основаниях производят, ориентировочно, по формуле:

где J - минимальный размер контактной площадки наружного слоя; М-диаметр сверления; К - позиционная точность сверления; N - позиционная точность рисунка; АВ - отрицательный допуск на размер контактной площадки; С - минимальная ширина пояска охвата металлизированного отверстия контактной площадкой наружного слоя.

При расчете контактных площадок тонких оснований - учитывают дополнительные погрешности совмещения: погрешности базирования величин деформаций пленочных фотошаблонов и слоев после травления и прессования.

Некоторый выигрыш в уменьшении размера контактной площадки и соответсвующем увеличении трассировочного пространства можно получить за счет удлинения ее формы в сторону подхода проводника к контактной площадке, как показано на рис. 2.11.

Вообще говоря, контактная площадка, это геометрическое место точек, куда может попасть сверление. Поэтому ее размер должен поглотить это геометрическое место с какой-то вероятностью. Подробно об этом в соответствующем разделе.

Размеры контактных площадок существенно сказываются на трассировочной способности печатных плат. Например, в одном проекте уменьшение диаметра площадок с 1,4 до 1,0 мм позволяет более, чем втрое, увеличить плотность межсоединений, в то время, как уменьшение ширины проводников и зазоров с 0,3 до 0,15 мм позволяет увеличить ее лишь вдвое. Очевидно, что уменьшение диаметра контактных площадок или исключение их вообще может быть более действенным способом увеличения плотности межсоединений, чем уменьшение ширины проводников.

4.3 Уменьшение ширины проводников и зазоров

Очевидно, что уменьшение ширины проводников и зазоров позволяет увеличить количество трасс на каждом слое платы. К такому решению стремятся в производстве интегральных микросхем и печатных плат в течение многих лет. Но, все же, уменьшать ширину проводников бесконечно невозможно. Такое уменьшение ограничено токонесущими свойствами и омическим сопротивлением проводников. Омическое сопротивление, в еще большей мере, сказывается на работоспособности схем, когда они имеют большую длину, что для печатных плат не редкость. Существуют и технологические ограничения на ширину проводников, связанные непосредственно с производственным процессом выход готовой продукции резко падает, если требования к производственным процессам не укладываются в рамки нормальных допусков, определяемых применяемым оборудованием, материалами и параметрами климатической зоны производственных помещений.

Имеются также ограничения и на уменьшение расстояний между проводниками. Их размер определяется, исходя из требований к электрическим характеристикам, например, необходимостью снижения уровня перекрестных помех, минимизацией шумов, создания условий для безыскаженной передачи сигналов и формирования требуемого волнового сопротивления. Для силовой электроники следует считаться с ограничениями по электрической прочности изоляционных зазоров. Напряжение пробоя лакированных плат определяется электрической прочностью лакового покрытия, зазоры между открытыми проводниками на диэлектрическом основании пробиваются по поверхности платы. Электрохимическая форма пробоя не зависит от ширины зазора и не поддается прямому расчету.

Тем не менее, если удалось достичь уменьшения ширины проводников с учетом описанных ограничений, то это позволит эффективно повлиять на плотность и снижение себестоимости производства печатных плат, как показано на примере анализа одного из реальных производств. Видно, что уменьшение ширины дорожек со 150 мкм до 80 мкм позволяет вдвое уменьшить число сигнальных слоев и существенно снизить себестоимость производства печатных плат.

Снижение себестоимости осуществляется за счет снижения материалоемкости печатных плат. Было уже отмечено, что в составляющих себестоимости стоимость материалов стоит в первой строчке. Но эта мера снижения стоимости плат оправдана лишь в том случае, если созданы соответствующие производственные условия для уменьшения размеров проводников и зазоров. Для этого недостаточно иметь хорошее оборудование и материалы, нужны еще особые климатические условия в производственных помещениях, ответственных за этот процесс.

Тогда можно рассчитывать на приемлемый выход годной продукции. В противном случае уменьшение размеров проводников и зазоров или увеличит объем брака, или увеличит объем трудозатрат на исправление дефектов, уменьшит надежность печатных плат. То и другое увеличит себестоимость и, значит, не приведет к желаемому результату.

4.4 Увеличение количества слоев

Сегодня многие производства, желая показать свои достижения, говорят о возможностях изготовления МПП с большим количеством слоев и, соответственно, большой толщины. Действительно, раньше, когда использовались несовершенные САПР, всегда принимались волюнтаристские решения, ведущее прямо к достижению цели: когда на существующих слоях печатной платы не достатовало места для разводки всех необходимых внутрисхемных соединений, добаатяли еще один слой. Теперь, когда вопрос себестоимости приобрел первостепенную важность, при разработке многослойных ПП процесс проектирования направлен на минимизацию числа слоев, потому что каждый новый слой существенно увеличивает себестоимость печатной платы. Табл. 2.5 также демонстрирует, что любое увеличение количества сигнальных слоев в платах, работающих в составе высокопроизводительной или высокочастотной аппаратуры, когда требуется выдержать характеристики линий передач, будет вдвое больше, т. к. для них необходимо экранирование слоями земли и питания, прокладываемые между сигнальными слоями.

4.5 Оценка плотности межсоединений

Растущие конструктивно-технологические требования к печатному монтажу особенно четко установились в области вычислительной техники, поскольку увеличение производительности ЭВМ наряду с увеличением быстродействия элементной базы находится в непосредственной зависимости от возможностей сокращения длины связей между логическими элементами, так называемой конструктивной задержки передаваемого сигнала. Достаточно сопоставить значение времени переключения логических элементов, не превышающее в современных ИС, СИС и БИС единиц наносекунд, с временем распространения сигнала в печатных линиях связи, составляющем 6…7 нс/м, чтобы показать, что главной составляющей временных задержек в электронных устройствах современного и перспективного типов являются задержки в межсоединениях. Отсюда следует, что повышение быстродействия логических элементов должно сопровождаться максимально возможным снижением задержек в межсоединениях, т.е. сокращением их длины. Это достигается повышением степени интеграции логических элементов и более плотной компоновкой микросхем на платах.

В свою очередь, увеличение степени интеграции вызывает рост числа входных контактов микросхем п, подчиняющийся соотношению Рента:

где к - среднее число межсоединений, приходящееся на один логический элемент в ИС, например, для двухвходового вентиля к = 3…4; ^-показатель Рента, зависящий от структуры логических схем. Например, для произвольной логики высокопроизводительных процессоров р = 0,5…0,75, для микропроцессорной логики р< 0,5.

Число межсоединений ЛГ определяется суммарным числом выводов п всех М микросхем, устанавливаемых на печатную плату:

где г - коэффициент разветвления соединений, зависящий от числа нагрузок т в цепях межэлементных связей: г=т/, так что 0,5 <г<1.

Суммарная длина соединений в печатных платах 2? определяется числом соединений N и средней дайной одного соединения 1с:

Статистические исследования показывают, что при произвольном размещении микросхем на плате средняя длина одного соединения определяется размером платы:

где i - коэффициент использования монтажного поля платы выводами микросхем.

Положив / = 0,5, оценим суммарную длину соединений в платах

Отношения к площади платы L2 суммарного числа выводов микросхем Мп и суммарной длины соединений Л в ней будем называть соответственно плотностью монтажа и плотностью соединений:

Используя и, получаем соотношение между плотностями соединений и монтажа

Таким образом, увеличение плотности размещения монтажных элементов и линейных размеров плат требует пропорционального увеличения плотности соединений. С другой стороны, плотность соединений определяется плотностью трассировки, т.е. числом проводников п, прокладываемых между отверстиями и коэффициентом использования трасс *, а в МПП - еще и числом сигнальных слоев т:

с

где Т - шаг сквозных отверстий, между которыми трассируется п проводников.

В односторонних печатных платах единственный слой проводящего рисунка используется для размещения монтажного поля, цепей питания и межсхемных соединений. Поэтому на этих платах невозможно удовлетворить противоречивые требования увеличения плотности монтажа и плотности соединений. Частично эти противоречия разрешаются в двусторонних печатных платах. И только применение МПП позволяет обеспечить специализацию слоев. МПП имеют наружные монтажные слои, которых, естественно, не может быть больше двух, тс сигнальных слоев с ортогональным принципом трассировки проводников в преимущественных направлениях А'или Y слои тэ с цепями земли и питания, выполняющие одновременно роль электрических экранов, заземленных по высокой частоте. Экранные слои размещаются между сигнальными, поэтому

Коэффициент использования трасс принимает значения в пределах 0 <з< 1 в зависимости от степени взаимной независимости направлений трассировки соединений. Значения ¦ приближаются к единице с увеличением числа переходных отверстий, создающих возможность обхода пересечений трасс. В МПП особенно эффективны межслойные переходы в шаге трасс двусторонних внутренних слоев со строго ортогональной трассировкой.

Таблица 2.9. Коэффициент использования трассировочного пространства

В табл. 2.9 даны значения коэффициента з для сигнальных слоев МПП с различным числом трасс проводников птр между сквозными отверстиями. Из этих данных видно, что без межслоиных переходов увеличение плотности трасс не дает пропорционального эффекта.

Дефицит межслойных переходов проявляется в досадном для технологов явлении: первая пара слоев заполнена проводниками на 80%, вторая только на 30%, третья на 7% и четвертая на 2%. Т.е. усилия производства в увеличении плотности трасс и слойности МПП не вознаграждаются соответствующим увеличением плотности межсоединений при дефиците межслойных соединений. Гораздо эффективнее увеличивать количество межслойных соединений.

5. Быстродействие

Производительность, на которую рассчитана система, является ее важным техническим параметром, который следует учитывать при выборе принципа межсоединений. Многие цифровые системы работают на тактовых частотах, приближающихся к 100 МГц, а другие уже давно перешагнули этот порог. Повышение быстродействия систем требует от разработчиков правильного выбора структур межсоединений в печатных платах и материалов, используемых в качестве подложки печатных плат.

5.1 Задержка сигналов

Скорость распространения сигнала обратно пропорциональна квадратному корню диэлектрической проницаемости материала подложки. Время распространения сигнала, так называемая конструктивная задержка, прямо пропорционально длине проводников и должно быть как можно меньше, чтобы оптимально обеспечить электрическую производительность системы. Задержка в линиях связи:

где г - конструктивная задержка времени распространения сигнала на единицу длины, L и С - индуктивность и емкость на единицу длины, тд - задержка на единицу длины при передаче сигналов в вакууме, е - диэлектрическая проницаемость среды, в которой распространяется сигнал, /и - магнитная проницаемость среды. Поскольку в цепях передачи сигналов используются в большинстве случаев немагнитные материалы, скорость распространения сигналов зависит главным образом от относительной диэлектрической проницаемости, значения которой у современных диэлектриков печатных плат лежат в диапазоне 2,5…6. Следовательно, задержка сигналов в линии может превышать 6 нс/м.

Емкостные нагрузки, создающиеся ответвлением трасс, вносят дополнительные задержки сигналов. Поэтому соединения нескольких приемников сигналов, как правило, выполняют не разветвлениями, а последовательным обходом, чтобы предотвратить это рассогласование.

Использование диэлектриков с улучшенными характеристиками дает незначительный выигрыш в задержке. Поэтому в общем случае конструктивная задержка сигналов зависит от длины сигнальных трасс.

5.2 Погонная емкость

Емкость проводников, отнесенных к единице длины:

Для проводников, располагаемых в одной плоскости:

где В-ширина проводника, см; Н - толщина межслойной изоляции, см; S - расстояние между краями проводников, см.

Если толщина печатной платы составляет больше 10% ширины проводника, необходимо вводить поправку на краевой эффект добавлением к вычисленному значению погонной емкости значение краевой емкости, значение которой может составлять до 20%.

5.3 Волновое сопротивление

Для систем, работающих при частоте выше 25 МГц, межсоединения должны иметь такие характеристики линий передачи, чтобы потери сигналов и искажения были минимальны. Правильный расчет линий передачи требует внимательного учета расстояния между проводниками и экранами и соблюдения точности их размеров, чтобы предотвратить рассогласование линий передач и в, конечном итоге, обеспечить быстродействие системы. Существует два основных типа линий передачи:

открытые линии, когда сигнальная трасса находится над единственным экраном;

закрытые линии, когда сигнальные трассы располагаются между экранами.

И та и другая линии могут быть реализованы только в многослойных структурах, и уже только это определяет необходимость их использования.

Волновое сопротивление линии (Ом) рассчитывается, исходя из следующих выражений:

для открытой линии:

где В-ширина проводника, см; Н - толщина межслойной изоляции, см; Л - толщина проводника, см; кс и кн - коэффициенты, учитывающие особенности конструкции экранов открытых и закрытых линий; q - коэффициент, учитывающий эксцентриситет положения печатного проводника относительно экранных слоев в закрытых линиях.

Задача согласования линий связи решается технологическим обеспечением воспроизведения заданного значения их волнового сопротивления, т.е. нормированием всех дестабилизирующих факторов, свойственных производству печатных плат. По результатам анализа влияния этих факторов можно сделать заключение о приемлемости дисперсий волнового сопротивления печатных проводников, реализуемых в производстве печатных плат, или принять решение о необходимости дополнительного контроля всех или отдельных конструктивных параметров печатных плат, оказывающих наибольшее влияние на разброс волнового сопротивления, если эта величина больше приемлемого допуска. По результатам дисперсионного анализа реального производства можно сделать заключение, что при соблюдении обычных норм контроля за технологическим процессом обеспечивается погрешность воспроизведения волнового сопротивления линий связи в МПП в пределах + 15%, при управлении процессом воспроизводства ширины проводников и толщины межслойной изоляции - 8… 10%.

6. Энергопотребление

Увеличение производительности электронных устройств и интеграции микросхем приводит к соответствующему увеличению энергопотребления. Некоторые микросхемы потребляют до 30 Вт. Такая мощность потребления в сочетании с низким напряжением питания делает узлы и блоки электронных систем чувствительными к, так называемым, перекосам напряжения в пределах одной платы. Это обуславливает задачу обеспечения равномерного распределения питания и заземления в платах за счет низкого сопротивления этих цепей, работающих при напряжениях 5; 3,3; 2,8 В.

6.1 Цепи питания

Очевидно, что цепи питания должны иметь низкоомное сопротивление, чтобы распределение потенциалов было равномерным по всей плоскости платы. В некоторых случаях требуются даже отдельные навесные шины, чтобы избежать заметного падения напряжения питания в схемах с мощным энергопотреблением.

Но кроме низкого сопротивления от цепей питания и заземления требуется еще и низкая индуктивность для ослабления импульсных помех, определяемых скоростью переключения в схемах с высоким быстродействием. В двусторонних платах цепи питания неизбежно имеют большой контур потокосцепления, а значит и большую индуктивность.

Наиболее удачно эти проблемы решаются в МПП, изготавливаемых методом металлизации сквозных отверстий, где есть возможность выделить для цепей земли и питания отдельные слои, играющие одновременно роль электрических экранов, заземленных по высокой частоте. Вместе с тем, экраны, выполненные в виде параллельных металлических плоскостей, имеют хорошую развязывающую емкость и низкую индуктивность за счет ничтожно малой площади контура, сосредоточенного между слоями земли и питания.

6.2 Сопротивление цепей

Расчет сопротивления печатных проводников при проектировании печатных плат требуется в основном для того, чтобы избежать недопустимо большого падения напряжения в сигнальных и потенциальных цепях, которое может приводить к потере мощности сигнала и к неравномерному распределению напряжения питания по рабочему полю платы, перегреву слабых элементов соединений. При тестировании печатных плат омическое сопротивление элементов соединений может служить критерием их качества.

Расчет сопротивления элементов соединений производится, исходя из общеизвестных соотношений. Применительно к плоским проводникам печатных плат и размерностям, используемым в технике печатного монтажа, можно использовать соотношение:

г= 17,5/5/1,

где г - погонное сопротивление, мОм/мм; В-ширина проводника, мм; А - толщина фольги, мкм.

Таблица 2.10 Реальные значения металлической толщины проводников

Исследования показывают, что в ряде случаев результаты расчетов сопротивлений элементов соединений по их геометрии и стандартным удельным характеристикам материалов не полностью соответствуют реальным значениям. Это объясняется наличием множества побочных факторов. Основными из них являются значительные разбросы геометрических характеристик элементов соединений, отличие удельных сопротивлений химической и гальванической металлизации в отверстиях и на проводниках от известного значения для натуральной металлической меди, Омсм: чистая отожженная медь - 1,72-106, медная фольга - 1,75-106, медное гальванопокрытие - -106, химически осажденная медь - -106. Поэтому поиски точных расчетных соотношений для определения активного сопротивления элементов соединений печатных плат не оправданы. В табл. 2.10 показано, например, как отличается толщина реальных проводников от номинальных значений толщины фольги.

6.3 Токонесущая способность проводников

Для надежной работы необходимо, чтобы нагрев проводников под действием тока не приводил к физико-химическим изменениям, как в элементах соединений, так и в окружающем их диэлектрике. Сами печатные проводники, благодаря своей плоской форме, хорошо отдают тепло и допускают большие плотности тока без каких-либо для них последствий. Поэтому площади поперечного сечения проводников определяются, в первую очередь, необходимостью обеспечить низкое сопротивление цепей. И если это обеспечено, токонесущая способность проводников будет обеспечена с большим запасом. Чаще всего с ограниченной токонесущей способностью проводников приходится считаться в точках ввода питания в плату, откуда большие токи распределяются по соответствующим цепям. Если этих точек мало, и они не распределены по периметру платы, могут возникнуть локальные температурные перегрузки, вызывающие термодеструкцию диэлектрика. С другой стороны, большие сечения проводников в местах токоподвода затрудняют пайку. Поэтому лучше иметь много маломощных вводов, чем один мощный.

О токонесущей способности проводников чаще приходится говорить при тестировании плат когда для диагностики надежности используют нагрузку тестируемых цепей большими токами.

Чтобы учесть все факторы, влияющие на кинетику нагрева проводников током, представим физическую модель, условно показанную на рис. 2.14.

Условно выделенный элемент проводника с массой т и удельной теплоемкостью с имеет в исходном состоянии при температуре окружающей среды Тв сопротивление го. При прохождении через проводник тока / на сопротивлении го выделяется мощность Р. Температура проводника повышается на Т. Условия теплоотдачи проводника определяется тепловым сопротивлением F. Нагрев проводника вызывает дополнительное увеличение сопротивления, соответствующее температурному коэффициенту сопротивления.

Взаимосвязи термодинамического процесса нагрева проводника можно описать системой уравнений:

мощность, выделяемая на сопротивлении проводника R, зависящим от температуры перегрева T относительно первоначальной температуры окружающей среды; T = T - То - перегрев проводника относительно первоначальной температуры окружающей среды То\ T = Q/c - температура проводника, где - количество тепла, накапливаемое в элементе проводника;

P = P - Р - разность между выделяемой P и отводимой Р 0) мощностями, обуславливающая изменение температуры элемента проводника T\ Р = T/F - мощность, отводимая от элемента проводника через тепловое сопротивление F.

Уравнение, связывающее выделяемую мощность с накапливаемой в теплоемкости элемента и отводимой через тепловое сопротивление, можно представить следующим образом:

Решение дифференциального уравнения имеет вид:

где Fm - тепловое сопротивление в установившемся режиме; г - постоянная времени термодинамического процесса нагрева, равная

Начальная скорость нарастания температуры

т.е. в начальной стадии нагрев проводника током - процесс адиабатический, не зависящий от характеристик внешней среды, окружающей проводник. Характер дальнейшего развития процесса нагрева зависит от знака корня уравнения р = PRgFa: при р>0 процесс сводится к установившемуся значению, а изменение температуры во времени

при р<0 температура проводника неограниченно растет, пока не будет выключен ток или не перегорит проводник; при р = 0 процесс нагрева характеризуется линейным во времени возрастанием температуры:

Линейный режим является граничным между устойчивым и неустойчивым режимами нагрева. Поэтому он определяет критическое значение тока:

Если ток не ограничивается во времени и превышает значение /, то происходит разрушение соединения. Процесс остывания проводника при 1 = 0 характеризуется постоянной времени

и определяется выражением:

где AT - температура, на которую был нагрет проводник в момент выключения тока.

Тепловое сопротивление Fw теплоемкость тс связаны с геометрией проводника, характеристикой окружающей его среды и характером процесса нагрева проводника. В установившемся процессе нагрева, когда тепловыделение и теплоотдача уравновешиваются, тепловое сопротивление теплоотдачи связано, в основном, с сопротивлением от поверхности платы в окружающую среду, так как тепловое сопротивление диэлектрика в этой теплопередаче составляет доли градуса.

В переходном режиме тепловое сопротивление и теплоемкость меняются во времени. В начальный момент времени, после включения тока, тепловое сопротивление теплоотвода определяется сопротивлением теплопередачи от нагревающегося проводника в область диэлектрика, находящуюся в непосредственной близости от его поверхности. В этот момент нагревается преимущественно тело элемента проводника, т.е. процесс нагрева близок к адиабатическому. С течением времени нагреваются все большие и большие массы материала вокруг проводника, границы теплоотвода отодвигаются, следовательно, меняются значения теплоемкости C = mc и теплового сопротивления F. Стадии нагрева проводника током показаны на рис. 2.16.

Для удобства расчетов максимальной температуры перегрева можно воспользоваться упрощенным соотношением:

где J - плотность тока. А/мм2; В-ширина проводника, мм; / коэффициент теплопередачи, средние значения которого:

для двусторонних печатных плат и наружных слоев МПП составляет Ш…200 А2/;

для проводников внутренних слоев МПП - 250…320А2/.

7. Элементы кондуктивного теплоотвода

Вся энергия, подводимая для питания интегральных микросхем, должна быть эффективно выведена из системы, чтобы обеспечить ее работоспособность в течение длительного времени. Отвод тепла от системы является одной из самых трудных задач при разработке конструкций электронных устройств. В большинстве из них для отвода тепла используют огромные по сравнению с размерами микросхем радиаторы, часто снабженные дополнительным вентилятором, а в некоторых применяют гигантские системы с жидкостным охлаждением. Реально существуют даже системы с погружным охлаждением. И чем меньше по объему электронные устройства, тем большие плотности энергии в них сосредотачиваются и тем сложнее вывести это тепло во внешнюю среду, иначе устройство просто сгорит. Поэтому наряду с электрическим конструированием приходится считаться с проблемами теплового конструирования электронной аппаратуры.

Хотя сами по себе печатные платы не являются источником нагрева, компоненты, смонтированные на них нуждаются в отводе тепла. Конечно, если используется воздушное или погружное охлаждение, печатные платы выполняют пассивную роль. От них требуется лишь устойчивость к воздействию внешней среды, которую несет внутрь аппаратуры воздушный поток или среда погружения. Конструкция печатной платы становится активной в теплопередаче, если в нее введены элементы кондуктивного теплоотвода: сквозные технологические отверстия или навесные металлические шины, на которые устанавливаются теплонагруженные компоненты, теплоотводящие слои с выходом на периферию платы с тепловыми клиньями для теплопередачи на корпус устройства. Тогда платы можно физически изолировать от внешней среды и избежать тем самым ее вредного воздействия на надежность печатных узлов или ослабить защиту плат от внешних воздействий.

8. Себестоимость

Себестоимость конечного продукта стала наиболее важным критерием при разработке любых электронных систем. Независимо оттого, что при разработке следует учитывать все функциональные и эксплуатационные требования, все же определяющим критерием для инженера-разработчика должна оставаться себестоимость, и он должен анализировать все возможные компромиссы в целях достижения наилучшего соотношения цена / качество конечного продукта.

Учет требований процессов производства печатных плат и сборки печатных узлов в процессе разработки изделия может обеспечить снижение расходов на сборку на 35%, а себестоимости печатных плат - на 25%.

Структура прямых расходов на производство печатных плат, определяющая их себестоимость, показана в табл. 2.11. Наиболее большие затраты приходятся на базовые материалы и инструмент. Тем более, что здесь приведены данные, связанные с импортом. Использование импортных поставок удорожает печатные платы на 50…60% относительно их себестоимости за рубежом, но создает устойчивость производства и качества, что всегда больше ценится производителем: меньше издержек на брак при изготовлении и сборке, большие гарантии надежности, возможность своевременного выполнения заказа и др.

Обозначения: ДПП - двухсторонние печатные платы, МПП, МПП и МПП - многослойные печатные платы сквозной металлизации 4-, 6 и 8-слойные, МПП - 8-слойные с 4 слоями послойного наращивания.

Из таблицы можно увидеть, что в первых строчках расходов стоят материалы и инструмент. Трудозатраты, энерго- и водообеспече-ние не занимают большой доли в себестоимости плат, что выгодно отличает отечественное производство от зарубежного. В табл. 2.12 показаны сравнительные характеристики этих статей расхода, чтобы видеть, как может позиционироваться Российская электронная индустрия в международном разделении труда. Из анализа этих данных становится очевидной актуальность организации высококачественного отечественного производства полуфабрикатов, инструмента и материалов для производства печатных плат.

Страницы: 1, 2