Классы точности ПП. Типовой расчет элементов печатного монтажа

Точность изготовления печатных плат зависит от комплекса технологических характеристик и с практической точки зрения определяет основные параметры элементов печатной платы. В первую очередь это относится к минимальной ширине проводников, минимальному зазору между элементами проводящего рисунка (все это выполнено из меди) и к ряду других параметров.

ГОСТ 23.751-86 предусматривает пять классов (таблица 4.1) точности печатных плат, и в конструкторской документации на печатную плату должно содержаться указание на соответствующий класс, который обусловлен уровнем технологического оснащения производства. Поэтому выбор класса точности всегда связан с конкретным производством. Попытка решить эту задачу в обратном порядке может привести к тому, что проект не будет реализован.

Таблица 4.1 – Параметры ПП в зависимости от класса точности

В таблице 4.1 обозначено:

t - ширина печатного проводника;

S - расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка;

b - гарантированный поясок;

f - отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированных отверстий, к толщине печатной платы.

Печатные платы 3-ro класса наиболее распространенные, поскольку, с одной стороны, обеспечивают достаточно высокую плотность трассировки и монтажа, а с другой - для их производства требуется рядовое, хотя и специализированное, оборудование.

Печатные платы 4-го класса выпускаются на высокоточном оборудовании, но требования к материалам, оборудованию и помещениям ниже, чем для пятого класса.

Изготовление печатных плат 5-гo класса требует применения уникального высокоточного оборудования, специальных (как правило, дорогих) материалов, безусадочной фотопленки и даже создания в производственных помещениях "чистой зоны" с термостатированием. Таким требованиям отвечает далеко не каждое производство. Но ПП небольшого размера могут выполняться по пятому классу на оборудовании, обеспечивающем получение плат четвертого класса. Комплексно решить все эти проблемы удается только на реальном производстве.

Выпуск печатных плат 2-го и 1-ro классов осуществляется на рядовом оборудовании, а иногда даже на оборудовании, не предназначенном для изготовления печатных плат. Такие ПП с невысокими (и даже с низкими) конструктивными параметрами предназначены для недорогих устройств с малой плотностью монтажа. К этому классу относятся печатные платы любительского и макетного уровня, часто единичного или мелкосерийного производства.

За рубежом принята другая классификация печатных плат по уровню точности (здесь регламентируются не только конструктивные параметры, но и шаг трассировки, что фактически связывает уровень производства с параметрами печатных плат и степенью интеграции элементной базы.

Таблица 4.2 - Зарубежная классификация печатных плат по уровню точности

В миллиметрах

Зазор между печатными дорожками

Основные параметры (размеры и допустимые отклонения) проводников и зазоров между элементами проводящего рисунка оговорены в ГОСТ 23.751-86 и непосредственно зависят от принятого класса точности печатных плат.

Минимальная ширина проводников и величина зазоров - основные факторы, влияющие на трассировочную способность печатной платы. Однако это относится только к слаботочным цепям, для которых сечение печатных проводников, исчисляемое величиной порядка 0,005 мм², не является ограничением. Но на ПП часто присутствуют цепи, несущие достаточно большие токовые нагрузки. Их следует конструировать не с минимальными значениями печатных проводников, а с учетом конкретной токовой нагрузки из условий исключения опасного перегрева этих проводников. Кроме того, не исключено, что смежные проводники будут находиться под высоким потенциалом, поэтому зазоры между ними должны выдерживать соответствующее напряжение.

ГОСТ 23.751-86 устанавливает допустимую токовую нагрузку на элементы проводящего рисунка, выполненные из медной фольги 100-250 А/мм². Обычно нижний предел принимается для внутренних проводников многослойных печатных плат, а верхний - для наружных слоев. Считается, что теплообмен проводников на наружных слоях лучше и что они способны пропускать большие токовые нагрузки без опасного перегрева.

Конкретные размеры печатных проводников в зависимости от токовой нагрузки либо рассчитывают, используя приведенные данные, либо выбирают по номограммам рисунка 4.1, где представлены различные значения перегрева в условиях естественной конвекции для одиночных печатных проводников постоянной ширины, расположенных на наружных слоях и на расстоянии, равном ширине проводника.

Величину допустимой токовой нагрузки, полученную по номограмме, следует скорректировать:

- для печатных проводников, расположенных на расстоянии больше своей ширины увеличением на 15%;

- для печатных проводников на платах, выполненных по полуаддитивной технологии уменьшением на 25%;

- для печатных проводников на платах, выполненных по аддитивной технологии уменьшением вдвое.

В ряде случаев, чтобы оценить нагрузочную способность печатных проводников, достаточно помнить, что проводник толщиной 35 мкм (а это наиболее распространенная толщина) и шириной 1 мм при перегреве в 20ºС пропускает ток в 3 А. С помощью этих данных легко рассчитать нагрузочную способность проводников любой ширины. Но повторяем, что это оценочный расчет.

Минимальные зазоры между элементами проводящего рисунка (т.е. зазоры между любыми металлизированными элементами печатной платы) определяются с основном технологией печатных плат и допустимыми напряжением между соседними (смежными) элементами. Значения максимально допустимого рабочего напряжения между элементами рисунков зависимости от условий от условий эксплуатации для печатных плат, изготовленных из фольгированного текстолита представлены в таблице 4.3

Таблица 4.3 - Максимально допустимое рабочее напряжения между элементами ПП

Более полные данные по допустимым напряжениям для других условий эксплуатации приведены в ГОСТ 23.751-86.

В слаботочной и низковольтной аппаратуре (а это большинство устройств СВТ) ширина печатных проводников и зазоры выбираются минимальными для технологии и конструкции изделия. Эти данные для ПП различных классов точности и нескольких вариантов изготовления содержатся в таблице 4.4.

Таблица 4.4 – Параметры печатных плат различных классов точности

Кроме того, размеры (ширина) печатных проводников, зазоры между ними и величина допусков влияют на шаг трассировки. Формально на печатной плате возможен любой шаг трассировки, но для получения максимальной трассировочной способности необходимо его согласовать с шагом металлизированных отверстий. На рисунке 4.2 изображен фрагмент печатной платы с нанесенной сеткой трассировки (с координатной сеткой). Из рисунка видно, что почти все параметры проводников, зазоров и контактных площадок связаны между собой и с шагом металлизированных отверстий.

	T=Δn
Δ=t+S
D=Δ(n-2)-3t
D=Δk+t

Обычно шаг трассировки выбирается кратным шагу отверстий. Точнее, шаг между отверстиями должен быть равен целому числу шагов трассировки проводников.

Именно поэтому нежелательно иметь на печатной плате группы отверстий с различными шагами, но на сегодняшний день одновременное использование элементов с разными шагами стало правилом, а не исключением. Чаще всего на одной плате компонуются элементы с метрическим и дюймовым шагами выводов. В подобной ситуации можно ориентироваться на шаг большинства элементов. В затруднительных случаях лучше взять за основу шаг отверстий у элементов, размещаемых в центральной части печатной платы. Именно в этой области необходимо обеспечить наибольшую трассировочную способность, поскольку трассировка там самая плотная.

В метрической системе наиболее распространенным считается шаг выводов в 2,5 мм (имеются в виду штыревые выводы). Это основной шаг при формовке выводов многих навесных элементов, включенных в ОСТ 4.010.030-81 или ОСТ 45.010.030-92, в соответствии с ГОСТ 29137-91. Для шага металлизированных отверстий, равного 2,5 мм, можно принять шаг трассировки 2,5; 1,25; 0,625; 0,5 и 0,3125, а для дюймового шага (2,54 мм) - 2,54; 1,27; 0,635 и 0,3175.

В таблице 4.5 приведены минимальные расчетные (теоретические) значения и соответствующие рекомендуемые шаги трассировки, в которых учитывается кратность шага металлизированных отверстий.

Таблица 4.5 - Расчетные значения и соответствующие рекомендуемые шаги трассировки

Класс точности
Проводники без покрытия	0,75±0,15	0,45±0,1	0,25±0,05	0,15±0,03	0,1±0,03
Проводники с покрытием			0,25±0,1	0,15±0,05	0,1±0,03
Минимальный зазор	0,75	0,45	0,25	0,15	0,1
Расчетный шаг трассировки	1,65	1,0	0,55	0,35	0,23
Рекомендуемый шаг трассировки	2,5	1,25	0,625	0,5	0,3175
2,54	1,27	0,635	0,31175