Обычно Заказчик приходит в производство со своими компонентами и печатными платами. И зачастую он обнаруживает полную непригодность своих печатных плат для автоматизированного сборочно-монтажного производства. К сожалению, отечественная стандартизация на проектирование и производство электронных модулей пока что (2007 г.) отсутствует.
Фирмы и группы инженеров, специализирующиеся на проектировании электронных изделий, пользуются стандартами IPC и опытом, наработанным на стыке проектов и их промышленной реализации. К сожалению, еще не созданы общие правила проектирования применительно к современным условиям производства. Потребность в этом давно существует и можно ожидать на нее положительного отклика.
Тем не менее, практика взаимоотношений между Заказчиком и Производителем установила определенные правила взаимоотношений.
P-CAD или GERBER?
Один из первых вопросов, который возникает при размещении заказа, – вопрос о входном формате файлов. Обычно Производитель принимает заказы в любом формате. Но общепринято передавать заказы в формате GERBER. Почему?
Универсальность
Практически любое технологическое оборудование, от сверлильных станков и фотоплоттеров до станков для V-надрезки, "понимает" GERBER в качестве входного формата. В то же время системы проектирования типа P-CAD, OrCAD и т.п. имеют встроенные постпроцессоры для связи проекта с технологическим оборудованием. Но перечень этого оборудования, естественно, охватывает далеко не весь парк машин. Для решения этой проблемы для того же P-CAD написаны гигабайты всевозможных трансляторов и постпроцессоров. Но доверие к ним сомнительно. Ответственность
Ответственность за соответствие изготовленной печатной платы проекту несет обычно Производитель. Но при подготовке производства проект всегда подвергается обработке CAM-CAD: в файл добавляют различные технологические элементы, мультиплицируют, пропускают через различные трансляторы. Это производственная необходимость, но она может невольно внести погрешность в проект Заказчика. Например, при мультипликации плат в P-CAD могут пропадать проводники. Конечно, если это произойдет, будет виноват Производитель. Но часто эта ошибка провоцируется файлом Заказчика, подготовленным в нелицензионной версии P-CAD. Подобных неприятностей можно избежать, используя все тот же GERBER-формат.
Безопасность
Выходной файл любой CAD-системы содержит намного больше информации о проекте, чем GERBER-файл. Передавая, например, РСВ-файлы системы P-CAD Производителю, Заказчик доверяет ему свою интеллектуальную собственность в виде, доступном для дублирования, редактирования и прочих нарушений авторских прав Заказчика. В этих файлах, как правило, содержится информация не только о самой печатной плате, но и об установленных на плате элементах, связях между ними и т.п. В то же время GERBER-файл содержит лишь графическую информацию о плате.
Свобода действий
Если Заказчик располагает GERBER-файлом своего проекта, он обладает большей свободой действий в выборе производителей печатных плат. Он может размещать заказы и в России, и за рубежом, и всегда будет однозначно понят Производителем. В случае, например, отличий топологии изготовленной платы от проекта Заказчик всегда будет прав.
Несмотря на вышеизложенное, все производители размещают на своих сайтах инструкцию по подготовке файлов, спроектированную в P-CAD, к передаче Производителю. Но предпочтительнее все же передать производителю свой проект в GERBER-файле. Это сэкономит время и позволит избежать возможных недоразумений.
Рекомендации по конструированию печатных плат применительно к автоматизированной сборке
Ниже приведены рекомендации по конструированию печатных плат [1, 2]. В практике взаимоотношений между Заказчиком и Производителем печатных плат (ПП) и печатных узлов для разработчиков (конструкторов) устанавливаются определенные правила в ходе работы. У каждого Производителя на сайте имеется информация для Заказчиков о том, что следует принимать во внимание при подготовке заказов. Но чем больше рекомендаций будет учтено при разработке изделия, тем более универсален будет подготовленный заказ.
1. При проектировании ПП необходимо руководствоваться требованиями российских стандартов* по конструированию ПП (в частности, ГОСТ 23751-86 Платы печатные. Основные параметры конструкции) и стандартов Международной электротехнической комиссии (МЭК) по конструированию печатных плат с применением технологии поверхностного монтажа.
2. Наличие защитной маски на ПП обязательно.
3. Величина деформации ПП не должна превышать требований ГОСТ 23752-79 (Платы печатные. Общие технические условия).
4. Печатная плата должна иметь не менее двух фиксирующих отверстий диаметром 2,7+0,06 или 3,0+0,06 мм на расстоянии 5,0…5,5 мм от края длинной стороны и не более 20 мм от края коротких сторон для перемещения платы при позиционировании (рис.1). Фиксирующие отверстия ПП, необходимые для закрепления на координатном или рабочем столе технологического оборудования, выполняют по квалитету Н9. При автоматизированной сборке предельные отклонения на межцентровые расстояния между фиксирующими отверстиями устанавливают не более ±0,05 мм, между фиксирующими отверстиями и контактными площадками – не более ±0,1 мм. При этом вокруг этих отверстий должна оставаться свободная зона диаметром не менее 10 мм.
5. Оптимальный зазор между выводом компонента и стенкой монтажного отверстия должен составлять 0,2…0,3 мм. При меньшем расстоянии припой плохо затекает в отверстие, появляются пустоты и непропаи. С увеличением зазора возрастает расход припоя, появляются усадочные раковины в припое. При выборе диаметра отверстия необходимо учитывать толщину слоев основной металлизации и финишного покрытия.
6. Предельные отклонения расстояний между центрами монтажных отверстий и базового отверстия для автоматизированной сборки без применения средств технического зрения не должны превышать ±0,05 мм, между осями контактных площадок – ±0,1 мм.
7. На печатной плате с SMD-компонентами необходимо иметь реперные знаки, выполняющие роль элементов базирования при установке компонентов. В качестве реперного знака рекомендуется кружок металлизации с покрытием, диаметром 1,0…1,6 мм, вокруг которого должно быть свободное от маски кольцо шириной не менее 0,3 мм. Вокруг реперного знака на расстоянии трех его радиусов не должно быть элементов проводящего рисунка. Необходимо разместить по два реперных знака на каждом краю платы в удаленных углах (например: левый нижний, правый верхний) на расстоянии не менее 5 мм от края ПП (см. рис.1).
8. Платы малого размера рекомендуется выполнять в виде мультиплицированной заготовки. Мультиплицированная заготовка должна иметь базовые отверстия на технологическом поле. Каждая из плат в мультиплицированной заготовке должна иметь свои реперные знаки. Габариты мультиплицированных заготовок (панелей) рекомендуется выбирать из стандартного ряда размеров.
9. При размещении на ПП SMD-компонентов следует руководствоваться требованиями ОСТ 4.42.02-93, п.6. Рекомендуется при установке компонентов в чип-корпусах на стороне пайки располагать их продольной осью вдоль короткой стороны ПП (по направлению пайки волной), SMD-компоненты в корпусах типа SO целесообразно располагать стороной корпуса с выводами вдоль направления пайки волной; за последней парой выводов должны быть сделаны вспомогательные (незадействованные) площадки для предотвращения образования спаек.
9.1. Минимальное расстояние между контактными площадками соседних SMD-компонентов должно быть не менее 1 мм, а между SMD-компонентами и компонентами со штырьковыми выводами – не менее 1,5 мм.
9.2. Переходные отверстия должны находиться вне контактных площадок для монтажа выводов SMD-компонентов. Переходные отверстия диаметром 0,6 мм с открытыми контактными площадками должны находиться вне проекции корпусов типа CHIP, MELF, SOT, SOIC на ПП.
10. Не рекомендуется располагать рядом компоненты, значительно отличающиеся по высоте, т.к. при пайке оплавлением паяльной пасты "тепловая" тень от больших компонентов ухудшает пайку низких компонентов.
11. Чип-компоненты рекомендуется располагать не ближе 3 мм от выводов корпусов микросхем.
12. Под компонентами в неизолированных корпусах, устанавливаемыми вплотную на плату, не должно быть проводников, так как применение изолирующих прокладок усложняет и удорожает процесс сборки.
13. Каждый типоразмер SMD-компонента должен иметь свою конфигурацию монтажного поля и форму контактных площадок. Целесообразно руководствоваться стандартами IPC-СM-770E "Surface Mount Design and Land Pattern Standard" и IPC-7351 "Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standards" или соответствующими им стандартами МЭК.
Для обеспечения возможности использования микросхем в различных корпусах рекомендуется применять универсальные монтажные поля с возможностью замены корпусов от различных поставщиков компонентов.
14. Контактные площадки вокруг отверстий и площадки для SMD-компонентов должны соединяться между собой проводником номинальной ширины, перекрытым защитной маской. Слияние этих площадок недопустимо (рис.2).
15. Размещение контактных площадок непосредственно в полигонах недопустимо – большой теплоотвод делает невозможной качественную пайку. Они должны быть отделены от полигона тепловыми зазорами и электрически соединяться с ним только проводником номинальной ширины. Выполнение полигонов в виде сетки уменьшает теплоемкость и коробление платы во время пайки. В случае прохождения монтажного отверстия сквозь несколько полигонов в разных слоях необходимо делать в них увеличенные тепловые зазоры для уменьшения теплоемкости, в противном случае при пайке охлаждающийся припой не протекает сквозь металлизированное отверстие со стороны пайки на противоположную сторону.
16. Расстояние между контактной площадкой монтажного отверстия и контактной площадкой для чипа или MELF-компонентов, перекрытое паяльной маской, должно быть не менее половины высоты компонента, но более 0,5 мм.
17. Минимальная ширина контактной площадки при шаге выводов 0,5 мм должна составлять 0,25 мм.
18. Рекомендуется нанесение защитной маски между контактными площадками под компоненты с шагом выводов до 0,5 мм включительно.
19. Незадействованные контактные площадки для микросхем в корпусах типа QFP, PLCC, SO рекомендуется снабжать аппендиксом в виде короткого печатного проводника, заходящим под защитную маску. Это позволяет предотвращать отслоение площадок при ремонте.
20. Соединения между соседними выводами микросхем должны выполняться за пределами монтажного поля, так как после пайки перемычка между соседними площадками может выглядеть как спайка. Соединительный проводник должен подходить соосно к торцу контактной площадки и шириной не более ширины площадки (рис.3).
21. Для точной установки BGA-компонентов и микросхем с шагом менее 0,625 мм рекомендуется делать два локальных реперных знака, расположенных по диагонали на периметре монтажного поля микросхем.
22. Для обеспечения качества пайки чип-компонентов в корпусах типа А, Е и т.п. (танталовые конденсаторы, диоды, резисторы) волной припоя (сторона пайки) рекомендуется удлинение контактной площадки за пределы корпуса (с торцов) на 0,2 мм больше высоты компонента (рис.4).
23. Рекомендуется при разработке проекта электронного модуля максимально заменять компоненты с выводами на SMD-компоненты.
24. Следует сокращать количество типономиналов корпусов компонентов в пределах одного проекта платы и изделия в целом, так как это сокращает время на подготовку производства и сборку. Рекомендуется заменять уникальные типономиналы компонентов на 2...3 обычных, соединяя их параллельно или последовательно.
25. Нежелательно без необходимости применять чип-компоненты в корпусах размером менее 0805 на печатных платах с оплавлением или HASL-покрытием.
26. Не рекомендуется применение в пределах одной платы разных типоразмеров корпусов для одного номинала – это усложняет процесс монтажа и увеличивает вероятность ошибки. Например, если на плате имеется значительное количество чип-резисторов с 5%-ным отклонением от номинала в корпусах размера 1206, то, при наличии таких же компонентов в корпусах размера 0805, следует заменить корпус 0805 на 1206.
27. Все компоненты одного типономинала рекомендуется располагать на одной стороне ПП.
28. При смешанном монтаже установка выводных компонентов должна соответствовать ОСТ 45.010.030-92 "Электронные модули первого уровня РЭС. Установка изделий электронной техники на печатные платы. Технические требования. Конструкции и размеры".
29. При установке на ПП разъемов типа Press-Fit (Z-pack, Hard metric) необходимо предусмотреть на стороне выводов зону для опоры инструмента, свободную от компонентов и паек.
30. Если платы имеют небольшие размеры, целесообразно заказывать мультиплицированную заготовку, спроектированную по нормам панели для группового монтажа (см. п. 8). Тогда для отделения одной платы от другой необходимо предусмотреть фрезеровку их контура с легко переламываемыми перемычками или скрайбирование (надрезы) контура для удобства последующего отделения плат от панели, например, роликовыми ножницами. Можно предусмотреть и то, и другое, если контуры плат отличаются от прямых линий.
Оформление конструкторской документации
1. Вся конструкторская документация (КД) должна быть выполнена в соответствии с ЕСКД (сборочный чертеж и спецификация).
2. При разработке КД необходимо выполнять требования ОСТ 4.42.02-93 п.п. 9.4…9.7 (схема нанесения точек клея, направления пайки, таблица координат центров компонентов). Толщина припоя на контактных площадках для SMD-компонентов должна составлять 8…25 мкм.
3. Спецификация должна содержать следующую информацию: наименование компонента (детали, материала), номинал, допуск, тип корпуса, позиционное обозначение, количество, номер чертежа деталей, вариант исполнения.
4. Сборочный чертеж обязательно должен содержать: виды, сечения, разрезы и размеры, необходимые для изготовления электронного модуля, технические требования к установке и монтажу компонентов с указанием необходимых стандартов, применяемые материалы, варианты установки компонентов, выноски на нестандартную установку компонентов, номера позиций деталей и т.п.
5. Графическое изображение каждого из типов корпусов SMD-компонентов и других электро- и радиоэлементов на сборочном чертеже должно быть единым для всех изделий предприятия-разработчика. Изображение должно быть четким, понятным и максимально приближенным к конфигурации реального корпуса. Обозначение полярности (ключа) должно быть однозначным и соответствовать реальному виду (точка, скос, выступ и т.д.).
Заключение
Постоянная тенденция в развитии элементной базы – увеличение функциональности интегральных микросхем, дальнейшая миниатюризация всех компонентов, развитие технологий "кристалл на плате", многокристальные модули и выполнение компонентов в микрокорпусах. Стремление уменьшить монтажное поле под компонентами побуждает переходить от системы периферийных выводов к матричной системе. Поэтому компоненты в корпусах типа BGA – это сегодняшняя реальность и ближайшая перспектива. Технологии печатных плат вынужденно поддерживают общее стремление к миниатюризации: плотность межсоединений в платах постоянно растет за счет использования развитых многослойных структур и уменьшения размеров трассировок. Перенос пассивных компонентов (в первую очередь резисторов) в структуру плат уже широко используется в зарубежной практике. Встраивание активных компонентов в объем плат – веление времени.
Уменьшение размеров элементов межсоединений, сопровождающееся естественным уменьшением их прочности, в сочетании с увеличением термомеханических нагрузок бессвинцовой пайки создает много проблем обеспечения надежности.
Расширяющаяся номенклатура компонентов и материалов для различных применений постоянно пополняет информационную базу и создает возможности создания большого разнообразия конструкций электронных изделий. Владение правилами проектирования в развитой среде CAD-CAM позволяет не только быстро генерировать новые проекты, но и без излишних настроек осваивать их производство и выходить на рынок.
Литература
1. www.pcbtech.ru.
2. Медведев А.М. Сборка и монтаж электронных устройств.– М.: Техносфера, 2007.
Перечень отечественных нормативных
документов* для разработки и производства изделий электронной техники на базе
печатных плат и печатных узлов
ГОСТ 10317-79 Платы печатные. Основные размеры
ГОСТ 17467-88 Микросхемы интегральные. Основные размеры
ГОСТ 2.417-91 ЕСКД. Платы печатные. Правила выполнения чертежей
ГОСТ 2.709-89 ЕСКД. Обозначения условные проводов и контактных соединений электрических элементов, оборудования и участков цепей в электрических схемах
ГОСТ 2.755-87 ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Устройства коммутационные и контактные соединения
ГОСТ 2.756-76 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Воспринимающая часть электромеханических устройств
ГОСТ 2.758-81 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Сигнальная техника
ГОСТ 2.759-82 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы аналоговой техники
ГОСТ 2.762-85 ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Частоты и диапазоны частот для систем передачи с частотным разделением каналов
ГОСТ 2.763-85 ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Устройства с импульсно-кодовой модуляцией
ГОСТ 2.764-86 ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Интегральные оптоэлектронные элементы индикации
ГОСТ 2.765-87 ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Запоминающие устройства
ГОСТ 2.766-88 ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Системы передачи информации с временным разделением канала
ГОСТ 2.768-90 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Источники электрохимические, электротермические и тепловые
ГОСТ 2.770-68 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы кинематики
ГОСТ 20406-75 Платы печатные. Термины и определения
ГОСТ 22318-77 Арматура переходов печатных плат. Типы, конструкция и размеры. Технические требования
ГОСТ 23661-79 Платы печатные многослойные. Требования к типовому технологическому процессу прессования
ГОСТ 23662-79 Платы печатные. Получение заготовок, фиксирующих и технологических отверстий. Требования к типовым технологическим процессам
ГОСТ 23663-79 Платы печатные. Механическая зачистка поверхности. Требования к типовому технологическому процессу
ГОСТ 23664-79 Платы печатные. Получение монтажных и подлежащих металлизации отверстий. Требования к типовым технологическим процессам
ГОСТ 23665-79 Платы печатные. Обработка контура. Требования к типовым технологическим процессам
ГОСТ 23751-86 Платы печатные. Основные параметры конструкции
ГОСТ 23752-79 Платы печатные. Общие технические условия
ГОСТ 23752.1-92 Платы печатные. Методы испытаний
ГОСТ 23770-79 Платы печатные. Типовые технологические процессы химической и гальванической металлизации
ГОСТ 26164-84 Э Платы печатные для изделий, поставляемых на экспорт. Шаги сетки
ГОСТ 26246.0-89 Материалы электроизоляционные фольгированные для печатных плат. Методы испытаний
ГОСТ 26246.1-89 Материал электроизоляционный фольгированный для печатных плат на основе целлюлозной бумаги, пропитанной фенольным связующим, обладающий высокими электрическими характеристиками. Технические условия
ГОСТ 26246.10-89 Материал электроизоляционный фольгированный тонкий общего назначения для многослойных печатных плат на основе стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим. Технические условия
ГОСТ 26246.11-89 Материал электроизоляционный фольгированный тонкий нормированной горючести для многослойных печатных плат на основе стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим. Технические условия
ГОСТ 26246.12-89 Пленка полиимидная фольгированная общего назначения для гибких печатных плат. Технические условия
ГОСТ 26246.13-89 Пленка полиимидная фольгированная нормированной горючести для гибких печатных плат. Технические условия
ГОСТ 26246.14-91 Материалы электроизоляционные фольгированные для печатных плат. Склеивающая прокладка, используемая при изготовлении многослойных печатных плат. Технические условия
ГОСТ 26246.2-89 Материал электроизоляционный фольгированный экономичного сорта для печатных плат на основе целлюлозной бумаги, пропитанной фенольным связующим. Технические условия
ГОСТ 26246.3-89 Материал электроизоляционный фольгированный нормированной горючести для печатных плат на основе целлюлозной бумаги, пропитанной эпоксидным связующим. Технические условия
ГОСТ 26246.4-89 Материал электроизоляционный фольгированный общего назначения для печатных плат на основе стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим. Технические условия
ГОСТ 26246.5-89 Материал электроизоляционный фольгированный нормированной горючести для печатных плат на основе стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим. Технические условия
ГОСТ 26246.6-89 Материал электроизоляционный фольгированный нормированной горючести для печатных плат на основе целлюлозной бумаги, пропитанной фенольным связующим (горизонтальный метод горения). Технические условия
ГОСТ 26246.7-89 Материал электроизоляционный фольгированный нормированной горючести для печатных плат на основе целлюлозной бумаги, пропитанной фенольным связующим (вертикальный метод горения). Технические условия
ГОСТ 26246.8-89 Пленка полиэфирная фольгированная для гибких печатных плат. Технические условия
ГОСТ 26246.9-89 Материал электроизоляционный фольгированный нормированной горючести для печатных плат на основе нетканой (тканой) стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим. Технические условия
ГОСТ 27200-87 Платы печатные. Правила ремонта
ГОСТ 27716-88 Фотошаблоны печатных плат. Общие технические условия
ГОСТ 29137-91 Формовка выводов и установка изделий электронной техники на печатные платы. Общие требования и нормы конструирования
ГОСТ 3.1428-91 ЕСТД. Правила оформления документов на технологические процессы (операции) изготовления печатных плат
ГОСТ Р 50562-93 Оригиналы и фотошаблоны печатных плат. Общие требования к типовым технологическим процессам изготовления
ГОСТ Р 50621-93 Платы печатные одно- и двусторонние с неметаллизированными отверстиями. Общие технические требования
ГОСТ Р 50622-93 Платы печатные двусторонние с металлизированными отверстиями. Общие технические требования
ГОСТ Р 50624-93 Материал электроизоляционный фольгированный нормированной горючести для печатных плат на основе целлюлозной бумаги, пропитанной эпоксидным связующим (внутренние слои), и стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим (наружные слои) (вертикальный метод горения). Технические условия
ГОСТ Р 50625-93 Материал электроизоляционный фольгированный экономичного сорта, нормированной горючести для печатных плат на основе целлюлозной бумаги, пропитанной фенольным связующим (вертикальный метод горения). Технические условия
ГОСТ Р 50626-93 Платы печатные. Основные положения построения технических условий
ГОСТ Р 51039-97 Платы печатные. Требования к восстановлению и ремонту
ГОСТ Р 51040-97 Платы печатные. Шаги координатной сетки
Р 50.1.001-94 Платы печатные многоуровневые. Методы конструирования и расчета
РД 50-708-91 Инструкция. Платы печатные. Требования к конструированию
Тем не менее, практика взаимоотношений между Заказчиком и Производителем установила определенные правила взаимоотношений.
P-CAD или GERBER?
Один из первых вопросов, который возникает при размещении заказа, – вопрос о входном формате файлов. Обычно Производитель принимает заказы в любом формате. Но общепринято передавать заказы в формате GERBER. Почему?
Универсальность
Практически любое технологическое оборудование, от сверлильных станков и фотоплоттеров до станков для V-надрезки, "понимает" GERBER в качестве входного формата. В то же время системы проектирования типа P-CAD, OrCAD и т.п. имеют встроенные постпроцессоры для связи проекта с технологическим оборудованием. Но перечень этого оборудования, естественно, охватывает далеко не весь парк машин. Для решения этой проблемы для того же P-CAD написаны гигабайты всевозможных трансляторов и постпроцессоров. Но доверие к ним сомнительно. Ответственность
Ответственность за соответствие изготовленной печатной платы проекту несет обычно Производитель. Но при подготовке производства проект всегда подвергается обработке CAM-CAD: в файл добавляют различные технологические элементы, мультиплицируют, пропускают через различные трансляторы. Это производственная необходимость, но она может невольно внести погрешность в проект Заказчика. Например, при мультипликации плат в P-CAD могут пропадать проводники. Конечно, если это произойдет, будет виноват Производитель. Но часто эта ошибка провоцируется файлом Заказчика, подготовленным в нелицензионной версии P-CAD. Подобных неприятностей можно избежать, используя все тот же GERBER-формат.
Безопасность
Выходной файл любой CAD-системы содержит намного больше информации о проекте, чем GERBER-файл. Передавая, например, РСВ-файлы системы P-CAD Производителю, Заказчик доверяет ему свою интеллектуальную собственность в виде, доступном для дублирования, редактирования и прочих нарушений авторских прав Заказчика. В этих файлах, как правило, содержится информация не только о самой печатной плате, но и об установленных на плате элементах, связях между ними и т.п. В то же время GERBER-файл содержит лишь графическую информацию о плате.
Свобода действий
Если Заказчик располагает GERBER-файлом своего проекта, он обладает большей свободой действий в выборе производителей печатных плат. Он может размещать заказы и в России, и за рубежом, и всегда будет однозначно понят Производителем. В случае, например, отличий топологии изготовленной платы от проекта Заказчик всегда будет прав.
Несмотря на вышеизложенное, все производители размещают на своих сайтах инструкцию по подготовке файлов, спроектированную в P-CAD, к передаче Производителю. Но предпочтительнее все же передать производителю свой проект в GERBER-файле. Это сэкономит время и позволит избежать возможных недоразумений.
Рекомендации по конструированию печатных плат применительно к автоматизированной сборке
Ниже приведены рекомендации по конструированию печатных плат [1, 2]. В практике взаимоотношений между Заказчиком и Производителем печатных плат (ПП) и печатных узлов для разработчиков (конструкторов) устанавливаются определенные правила в ходе работы. У каждого Производителя на сайте имеется информация для Заказчиков о том, что следует принимать во внимание при подготовке заказов. Но чем больше рекомендаций будет учтено при разработке изделия, тем более универсален будет подготовленный заказ.
1. При проектировании ПП необходимо руководствоваться требованиями российских стандартов* по конструированию ПП (в частности, ГОСТ 23751-86 Платы печатные. Основные параметры конструкции) и стандартов Международной электротехнической комиссии (МЭК) по конструированию печатных плат с применением технологии поверхностного монтажа.
2. Наличие защитной маски на ПП обязательно.
3. Величина деформации ПП не должна превышать требований ГОСТ 23752-79 (Платы печатные. Общие технические условия).
4. Печатная плата должна иметь не менее двух фиксирующих отверстий диаметром 2,7+0,06 или 3,0+0,06 мм на расстоянии 5,0…5,5 мм от края длинной стороны и не более 20 мм от края коротких сторон для перемещения платы при позиционировании (рис.1). Фиксирующие отверстия ПП, необходимые для закрепления на координатном или рабочем столе технологического оборудования, выполняют по квалитету Н9. При автоматизированной сборке предельные отклонения на межцентровые расстояния между фиксирующими отверстиями устанавливают не более ±0,05 мм, между фиксирующими отверстиями и контактными площадками – не более ±0,1 мм. При этом вокруг этих отверстий должна оставаться свободная зона диаметром не менее 10 мм.
5. Оптимальный зазор между выводом компонента и стенкой монтажного отверстия должен составлять 0,2…0,3 мм. При меньшем расстоянии припой плохо затекает в отверстие, появляются пустоты и непропаи. С увеличением зазора возрастает расход припоя, появляются усадочные раковины в припое. При выборе диаметра отверстия необходимо учитывать толщину слоев основной металлизации и финишного покрытия.
6. Предельные отклонения расстояний между центрами монтажных отверстий и базового отверстия для автоматизированной сборки без применения средств технического зрения не должны превышать ±0,05 мм, между осями контактных площадок – ±0,1 мм.
7. На печатной плате с SMD-компонентами необходимо иметь реперные знаки, выполняющие роль элементов базирования при установке компонентов. В качестве реперного знака рекомендуется кружок металлизации с покрытием, диаметром 1,0…1,6 мм, вокруг которого должно быть свободное от маски кольцо шириной не менее 0,3 мм. Вокруг реперного знака на расстоянии трех его радиусов не должно быть элементов проводящего рисунка. Необходимо разместить по два реперных знака на каждом краю платы в удаленных углах (например: левый нижний, правый верхний) на расстоянии не менее 5 мм от края ПП (см. рис.1).
8. Платы малого размера рекомендуется выполнять в виде мультиплицированной заготовки. Мультиплицированная заготовка должна иметь базовые отверстия на технологическом поле. Каждая из плат в мультиплицированной заготовке должна иметь свои реперные знаки. Габариты мультиплицированных заготовок (панелей) рекомендуется выбирать из стандартного ряда размеров.
9. При размещении на ПП SMD-компонентов следует руководствоваться требованиями ОСТ 4.42.02-93, п.6. Рекомендуется при установке компонентов в чип-корпусах на стороне пайки располагать их продольной осью вдоль короткой стороны ПП (по направлению пайки волной), SMD-компоненты в корпусах типа SO целесообразно располагать стороной корпуса с выводами вдоль направления пайки волной; за последней парой выводов должны быть сделаны вспомогательные (незадействованные) площадки для предотвращения образования спаек.
9.1. Минимальное расстояние между контактными площадками соседних SMD-компонентов должно быть не менее 1 мм, а между SMD-компонентами и компонентами со штырьковыми выводами – не менее 1,5 мм.
9.2. Переходные отверстия должны находиться вне контактных площадок для монтажа выводов SMD-компонентов. Переходные отверстия диаметром 0,6 мм с открытыми контактными площадками должны находиться вне проекции корпусов типа CHIP, MELF, SOT, SOIC на ПП.
10. Не рекомендуется располагать рядом компоненты, значительно отличающиеся по высоте, т.к. при пайке оплавлением паяльной пасты "тепловая" тень от больших компонентов ухудшает пайку низких компонентов.
11. Чип-компоненты рекомендуется располагать не ближе 3 мм от выводов корпусов микросхем.
12. Под компонентами в неизолированных корпусах, устанавливаемыми вплотную на плату, не должно быть проводников, так как применение изолирующих прокладок усложняет и удорожает процесс сборки.
13. Каждый типоразмер SMD-компонента должен иметь свою конфигурацию монтажного поля и форму контактных площадок. Целесообразно руководствоваться стандартами IPC-СM-770E "Surface Mount Design and Land Pattern Standard" и IPC-7351 "Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standards" или соответствующими им стандартами МЭК.
Для обеспечения возможности использования микросхем в различных корпусах рекомендуется применять универсальные монтажные поля с возможностью замены корпусов от различных поставщиков компонентов.
14. Контактные площадки вокруг отверстий и площадки для SMD-компонентов должны соединяться между собой проводником номинальной ширины, перекрытым защитной маской. Слияние этих площадок недопустимо (рис.2).
15. Размещение контактных площадок непосредственно в полигонах недопустимо – большой теплоотвод делает невозможной качественную пайку. Они должны быть отделены от полигона тепловыми зазорами и электрически соединяться с ним только проводником номинальной ширины. Выполнение полигонов в виде сетки уменьшает теплоемкость и коробление платы во время пайки. В случае прохождения монтажного отверстия сквозь несколько полигонов в разных слоях необходимо делать в них увеличенные тепловые зазоры для уменьшения теплоемкости, в противном случае при пайке охлаждающийся припой не протекает сквозь металлизированное отверстие со стороны пайки на противоположную сторону.
16. Расстояние между контактной площадкой монтажного отверстия и контактной площадкой для чипа или MELF-компонентов, перекрытое паяльной маской, должно быть не менее половины высоты компонента, но более 0,5 мм.
17. Минимальная ширина контактной площадки при шаге выводов 0,5 мм должна составлять 0,25 мм.
18. Рекомендуется нанесение защитной маски между контактными площадками под компоненты с шагом выводов до 0,5 мм включительно.
19. Незадействованные контактные площадки для микросхем в корпусах типа QFP, PLCC, SO рекомендуется снабжать аппендиксом в виде короткого печатного проводника, заходящим под защитную маску. Это позволяет предотвращать отслоение площадок при ремонте.
20. Соединения между соседними выводами микросхем должны выполняться за пределами монтажного поля, так как после пайки перемычка между соседними площадками может выглядеть как спайка. Соединительный проводник должен подходить соосно к торцу контактной площадки и шириной не более ширины площадки (рис.3).
21. Для точной установки BGA-компонентов и микросхем с шагом менее 0,625 мм рекомендуется делать два локальных реперных знака, расположенных по диагонали на периметре монтажного поля микросхем.
22. Для обеспечения качества пайки чип-компонентов в корпусах типа А, Е и т.п. (танталовые конденсаторы, диоды, резисторы) волной припоя (сторона пайки) рекомендуется удлинение контактной площадки за пределы корпуса (с торцов) на 0,2 мм больше высоты компонента (рис.4).
23. Рекомендуется при разработке проекта электронного модуля максимально заменять компоненты с выводами на SMD-компоненты.
24. Следует сокращать количество типономиналов корпусов компонентов в пределах одного проекта платы и изделия в целом, так как это сокращает время на подготовку производства и сборку. Рекомендуется заменять уникальные типономиналы компонентов на 2...3 обычных, соединяя их параллельно или последовательно.
25. Нежелательно без необходимости применять чип-компоненты в корпусах размером менее 0805 на печатных платах с оплавлением или HASL-покрытием.
26. Не рекомендуется применение в пределах одной платы разных типоразмеров корпусов для одного номинала – это усложняет процесс монтажа и увеличивает вероятность ошибки. Например, если на плате имеется значительное количество чип-резисторов с 5%-ным отклонением от номинала в корпусах размера 1206, то, при наличии таких же компонентов в корпусах размера 0805, следует заменить корпус 0805 на 1206.
27. Все компоненты одного типономинала рекомендуется располагать на одной стороне ПП.
28. При смешанном монтаже установка выводных компонентов должна соответствовать ОСТ 45.010.030-92 "Электронные модули первого уровня РЭС. Установка изделий электронной техники на печатные платы. Технические требования. Конструкции и размеры".
29. При установке на ПП разъемов типа Press-Fit (Z-pack, Hard metric) необходимо предусмотреть на стороне выводов зону для опоры инструмента, свободную от компонентов и паек.
30. Если платы имеют небольшие размеры, целесообразно заказывать мультиплицированную заготовку, спроектированную по нормам панели для группового монтажа (см. п. 8). Тогда для отделения одной платы от другой необходимо предусмотреть фрезеровку их контура с легко переламываемыми перемычками или скрайбирование (надрезы) контура для удобства последующего отделения плат от панели, например, роликовыми ножницами. Можно предусмотреть и то, и другое, если контуры плат отличаются от прямых линий.
Оформление конструкторской документации
1. Вся конструкторская документация (КД) должна быть выполнена в соответствии с ЕСКД (сборочный чертеж и спецификация).
2. При разработке КД необходимо выполнять требования ОСТ 4.42.02-93 п.п. 9.4…9.7 (схема нанесения точек клея, направления пайки, таблица координат центров компонентов). Толщина припоя на контактных площадках для SMD-компонентов должна составлять 8…25 мкм.
3. Спецификация должна содержать следующую информацию: наименование компонента (детали, материала), номинал, допуск, тип корпуса, позиционное обозначение, количество, номер чертежа деталей, вариант исполнения.
4. Сборочный чертеж обязательно должен содержать: виды, сечения, разрезы и размеры, необходимые для изготовления электронного модуля, технические требования к установке и монтажу компонентов с указанием необходимых стандартов, применяемые материалы, варианты установки компонентов, выноски на нестандартную установку компонентов, номера позиций деталей и т.п.
5. Графическое изображение каждого из типов корпусов SMD-компонентов и других электро- и радиоэлементов на сборочном чертеже должно быть единым для всех изделий предприятия-разработчика. Изображение должно быть четким, понятным и максимально приближенным к конфигурации реального корпуса. Обозначение полярности (ключа) должно быть однозначным и соответствовать реальному виду (точка, скос, выступ и т.д.).
Заключение
Постоянная тенденция в развитии элементной базы – увеличение функциональности интегральных микросхем, дальнейшая миниатюризация всех компонентов, развитие технологий "кристалл на плате", многокристальные модули и выполнение компонентов в микрокорпусах. Стремление уменьшить монтажное поле под компонентами побуждает переходить от системы периферийных выводов к матричной системе. Поэтому компоненты в корпусах типа BGA – это сегодняшняя реальность и ближайшая перспектива. Технологии печатных плат вынужденно поддерживают общее стремление к миниатюризации: плотность межсоединений в платах постоянно растет за счет использования развитых многослойных структур и уменьшения размеров трассировок. Перенос пассивных компонентов (в первую очередь резисторов) в структуру плат уже широко используется в зарубежной практике. Встраивание активных компонентов в объем плат – веление времени.
Уменьшение размеров элементов межсоединений, сопровождающееся естественным уменьшением их прочности, в сочетании с увеличением термомеханических нагрузок бессвинцовой пайки создает много проблем обеспечения надежности.
Расширяющаяся номенклатура компонентов и материалов для различных применений постоянно пополняет информационную базу и создает возможности создания большого разнообразия конструкций электронных изделий. Владение правилами проектирования в развитой среде CAD-CAM позволяет не только быстро генерировать новые проекты, но и без излишних настроек осваивать их производство и выходить на рынок.
Литература
1. www.pcbtech.ru.
2. Медведев А.М. Сборка и монтаж электронных устройств.– М.: Техносфера, 2007.
Перечень отечественных нормативных
документов* для разработки и производства изделий электронной техники на базе
печатных плат и печатных узлов
ГОСТ 10317-79 Платы печатные. Основные размеры
ГОСТ 17467-88 Микросхемы интегральные. Основные размеры
ГОСТ 2.417-91 ЕСКД. Платы печатные. Правила выполнения чертежей
ГОСТ 2.709-89 ЕСКД. Обозначения условные проводов и контактных соединений электрических элементов, оборудования и участков цепей в электрических схемах
ГОСТ 2.755-87 ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Устройства коммутационные и контактные соединения
ГОСТ 2.756-76 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Воспринимающая часть электромеханических устройств
ГОСТ 2.758-81 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Сигнальная техника
ГОСТ 2.759-82 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы аналоговой техники
ГОСТ 2.762-85 ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Частоты и диапазоны частот для систем передачи с частотным разделением каналов
ГОСТ 2.763-85 ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Устройства с импульсно-кодовой модуляцией
ГОСТ 2.764-86 ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Интегральные оптоэлектронные элементы индикации
ГОСТ 2.765-87 ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Запоминающие устройства
ГОСТ 2.766-88 ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Системы передачи информации с временным разделением канала
ГОСТ 2.768-90 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Источники электрохимические, электротермические и тепловые
ГОСТ 2.770-68 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы кинематики
ГОСТ 20406-75 Платы печатные. Термины и определения
ГОСТ 22318-77 Арматура переходов печатных плат. Типы, конструкция и размеры. Технические требования
ГОСТ 23661-79 Платы печатные многослойные. Требования к типовому технологическому процессу прессования
ГОСТ 23662-79 Платы печатные. Получение заготовок, фиксирующих и технологических отверстий. Требования к типовым технологическим процессам
ГОСТ 23663-79 Платы печатные. Механическая зачистка поверхности. Требования к типовому технологическому процессу
ГОСТ 23664-79 Платы печатные. Получение монтажных и подлежащих металлизации отверстий. Требования к типовым технологическим процессам
ГОСТ 23665-79 Платы печатные. Обработка контура. Требования к типовым технологическим процессам
ГОСТ 23751-86 Платы печатные. Основные параметры конструкции
ГОСТ 23752-79 Платы печатные. Общие технические условия
ГОСТ 23752.1-92 Платы печатные. Методы испытаний
ГОСТ 23770-79 Платы печатные. Типовые технологические процессы химической и гальванической металлизации
ГОСТ 26164-84 Э Платы печатные для изделий, поставляемых на экспорт. Шаги сетки
ГОСТ 26246.0-89 Материалы электроизоляционные фольгированные для печатных плат. Методы испытаний
ГОСТ 26246.1-89 Материал электроизоляционный фольгированный для печатных плат на основе целлюлозной бумаги, пропитанной фенольным связующим, обладающий высокими электрическими характеристиками. Технические условия
ГОСТ 26246.10-89 Материал электроизоляционный фольгированный тонкий общего назначения для многослойных печатных плат на основе стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим. Технические условия
ГОСТ 26246.11-89 Материал электроизоляционный фольгированный тонкий нормированной горючести для многослойных печатных плат на основе стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим. Технические условия
ГОСТ 26246.12-89 Пленка полиимидная фольгированная общего назначения для гибких печатных плат. Технические условия
ГОСТ 26246.13-89 Пленка полиимидная фольгированная нормированной горючести для гибких печатных плат. Технические условия
ГОСТ 26246.14-91 Материалы электроизоляционные фольгированные для печатных плат. Склеивающая прокладка, используемая при изготовлении многослойных печатных плат. Технические условия
ГОСТ 26246.2-89 Материал электроизоляционный фольгированный экономичного сорта для печатных плат на основе целлюлозной бумаги, пропитанной фенольным связующим. Технические условия
ГОСТ 26246.3-89 Материал электроизоляционный фольгированный нормированной горючести для печатных плат на основе целлюлозной бумаги, пропитанной эпоксидным связующим. Технические условия
ГОСТ 26246.4-89 Материал электроизоляционный фольгированный общего назначения для печатных плат на основе стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим. Технические условия
ГОСТ 26246.5-89 Материал электроизоляционный фольгированный нормированной горючести для печатных плат на основе стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим. Технические условия
ГОСТ 26246.6-89 Материал электроизоляционный фольгированный нормированной горючести для печатных плат на основе целлюлозной бумаги, пропитанной фенольным связующим (горизонтальный метод горения). Технические условия
ГОСТ 26246.7-89 Материал электроизоляционный фольгированный нормированной горючести для печатных плат на основе целлюлозной бумаги, пропитанной фенольным связующим (вертикальный метод горения). Технические условия
ГОСТ 26246.8-89 Пленка полиэфирная фольгированная для гибких печатных плат. Технические условия
ГОСТ 26246.9-89 Материал электроизоляционный фольгированный нормированной горючести для печатных плат на основе нетканой (тканой) стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим. Технические условия
ГОСТ 27200-87 Платы печатные. Правила ремонта
ГОСТ 27716-88 Фотошаблоны печатных плат. Общие технические условия
ГОСТ 29137-91 Формовка выводов и установка изделий электронной техники на печатные платы. Общие требования и нормы конструирования
ГОСТ 3.1428-91 ЕСТД. Правила оформления документов на технологические процессы (операции) изготовления печатных плат
ГОСТ Р 50562-93 Оригиналы и фотошаблоны печатных плат. Общие требования к типовым технологическим процессам изготовления
ГОСТ Р 50621-93 Платы печатные одно- и двусторонние с неметаллизированными отверстиями. Общие технические требования
ГОСТ Р 50622-93 Платы печатные двусторонние с металлизированными отверстиями. Общие технические требования
ГОСТ Р 50624-93 Материал электроизоляционный фольгированный нормированной горючести для печатных плат на основе целлюлозной бумаги, пропитанной эпоксидным связующим (внутренние слои), и стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим (наружные слои) (вертикальный метод горения). Технические условия
ГОСТ Р 50625-93 Материал электроизоляционный фольгированный экономичного сорта, нормированной горючести для печатных плат на основе целлюлозной бумаги, пропитанной фенольным связующим (вертикальный метод горения). Технические условия
ГОСТ Р 50626-93 Платы печатные. Основные положения построения технических условий
ГОСТ Р 51039-97 Платы печатные. Требования к восстановлению и ремонту
ГОСТ Р 51040-97 Платы печатные. Шаги координатной сетки
Р 50.1.001-94 Платы печатные многоуровневые. Методы конструирования и расчета
РД 50-708-91 Инструкция. Платы печатные. Требования к конструированию
Отзывы читателей
