85446
Разработка конструкции ПП. Предварительный расчет надежности
Курсовая
Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы
Печатная плата ПП - изделие состоящее из плоского изоляционного основания с отверстиями пазами вырезами и системой токопроводящих полосок металла проводников которые используют для установки и коммутации электрорадиоизделия ЭРИ и функциональных узлов в соответствии с электрической принципиальной схемой
Русский
2015-03-25
627.55 KB
11 чел.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Инженерно технологический факультет
Кафедра «Радиотехнические устройства»
Курсовой проект
по дисциплине «Прочность и надежность конструкций»
Разработка конструкции ПП. Предварительный расчет надежности
Выполнил:
Студент 5 ИТ 4
Проверил:
Преподаватель кафедры РТУ Зубиков Д.В.
Самара 2014
Содержание
Введение…………………………………………………………………………...3
1 Теоретическая часть………………………………………………………….....6
2 Расчетная часть………………………………………………………………...18 Заключение……………………………………………………………………….25
Список использованных источников…………………………………………...26
Введение
Печатная плата (ПП) изделие, состоящее из плоского изоляционного основания с отверстиями, пазами, вырезами и системой токопроводящих полосок металла (проводников), которые используют для установки и коммутации электрорадиоизделия (ЭРИ) и функциональных узлов в соответствии с электрической принципиальной схемой.
Рисунок печатной платы конфигурация проводникового или диэлектрического материала на печатной плате.
Проводящий рисунок конфигурация проводящего материала. Проводящий рисунок печатной платы должен быть четким, с ровными краями, без вздутий, подтравливания, разрывов, отслоений, следов инструмента. Для улучшения паяемости и повышения коррозионной стойкости на поверхность проводящего рисунка наносят электролитическое, химическое покрытие, которое должно быть сплошным, без разрывов и отслоений.
Печатные платы являются основным элементом электронной аппаратуры (ЭА), выполняя функции несущей конструкции и коммутационного устройства на различных уровнях разукрупнения аппаратуры:
Общий вид печатной платы представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 Общий вид печатной платы
1 крепежные отверстия; 2 концевые печатные контакты; 3 монтажные отверстия; 4 место маркировки ПП; 5 печатный проводник; 6 ориентирующий паз
В качестве материала основания печатной платы применяются слоистые диэлектрики (например, спрессованная стеклоткань), с одной или двух сторон фольгированные медной фольгой, или нефольгированные диэлектрики.
Существует два вида технологии получения проводящего рисунка печатной платы:
Исходные данные для проектирования:
Допустимое падение напряжения, В: 0.15.
Максимально допустимый ток, мА: 175.
1 Теоретическая часть
Конструкторско-технологическое проектирование печатной платы будем производить в порядке, описанном в [1]:
Различают три класса ЭА по объекту установки: наземная, бортовая и морская.
Класс наземной ЭА состоит из: стационарной, возимой, бытовой ЭА.
Основными требованиями к бытовой ЭА являются: повышение технологичности конструкции с целью снижения стоимости, снижение габаритов и массы, модульный принцип конструирования, простота эксплуатации, массовый характер производства [1].
Печатные платы должны обеспечивать работоспособность при воздействии на них климатических условий одной из групп жесткости (таблица 1).
В зависимости от условий эксплуатации определяют по ГОСТ 23752-79 группу жесткости, которая предъявляет соответствующие требования к ПП, к материалу основания и необходимости применения дополнительной защиты.
Таблица 1 - Допустимые значения воздействующих факторов по группам жесткости
При анализе условий эксплуатации ЭА и влияния дестабилизирующих факторов определяют:
Влияние дестабилизирующих факторов на ПП представлены в таблице 2.
Таблица 2 Влияние дестабилизирующих факторов на ПП
Воздействующий фактор |
Ускоряемые деградационные процессы |
Способы предотвращения влияния воздействующих факторов на этапе конструирования и производства ПП |
Высокая температура |
Расширение, размягчение, обезгаживание, деформация ПП: коробление, прогиб, скручивание |
1. Применение нагревостойких материалов. 2. Выбор минимальных размеров ПП. 3. Выбор материалов ПП с близким ТКЛР в продольном и поперечном направлении и с медью. |
Уменьшение электропроводности, нагрузочной способности проводников по току, ухудшение диэлектрических свойств |
1. Увеличение ширины и толщины проводников. 2. Применение материалов с низкими диэлектрическими потерями |
Продолжение таблицы 2
Перегрев концевых контактов ПП, увеличение их переходного сопротивления |
Выбор гальванического покрытия со стабильными переходными сопротивлениями при нагреве |
|
Высыхание и растрескивание защитных покрытий |
Выбор покрытия, устойчивого к высокой температуре |
|
Низкая температура |
Уменьшение электропроводности, нагрузочной способности по току, ухудшение диэлектрических свойств вследствие конденсации влаги, деформация, сжатие, хрупкость; электрохимическая коррозия проводников |
1. Увеличение ширины и толщины проводников. 2. Выбор материалов ПП, устойчивых к низким температурам. |
Вибрации |
Механические напряжения, вызывающие деформацию или потерю механической прочности ПП; усталостные изменения ПП (разрушение); нарушение электрических контактов |
1. Отстройка ПП от резонанса для выхода низшего значения собственной частоты а) путём выбора длины, ширины и толщины ПП; б) изменением суммарной массы установленных на ПП ЭРИ; в) выбором материала основания ПП; г) выбором способа закрепления сторон ПП в модулях более высокого конструктивного уровня. 2. Повышение механической прочности и жёсткости ПП: а) приклеиванием ЭРИ к установочным поверхностям ПП; б) покрытие лаком ПП вместе с ЭРИ; в) заливкой компаундами; г) увеличением площади опорных поверхностей; д) использованием материалов с высокими демпфирующими свойствами; е) демпфирующие покрытия; ж) рёбра жёсткости, амортизация и др. |
Удары, линейное ускорение |
Механические напряжения (разрушение ПП) |
Повышение механической прочности и жесткости |
Конструкторская сложность ФУ оценивают числом активных элементов, числом выводов ПМК и связывают с выбором типа, конструкции и класса точности ПП.
При незначительной конструкторской сложности (от 8 до 12 ИМС) применяются двусторонние печатные платы (ДПП), при средней (30-60 ИМС) ДПП или многослойные печатные платы (МПП), при высокой (свыше 50 ИМС) МПП, т.к. увеличивается число внутрисхемных связей, а применение МПП повышает надежность ЭА, сокращая число разъемных соединений [1].
Конструкция, масса, габариты ЭА, а также ячейки и ПП определяются типом используемой элементной базы и способа ее монтажа.
Возможны следующие конструктивно-технологические направления монтажа ячеек ЭА (таблица 3):
Таблица 3 - Линейные графические модели компоновочных структур ячеек
Основные типы сборок:
Для каждого типа сборки существует несколько классов.
Основные классы:
- класс А ЭРИ монтируемого в отверстия;
- класс В монтируются ПМК;
- класс С смешанная сборка (монтируются ЭРИ в отверстия и ПМК).
Каждому типу сборок соответствует своя последовательность сборочно-монтажных операций:
Односторонняя печатная плата ПП, на одной стороне которой выполнены элементы проводящего рисунка.
Двусторонняя печатная плата ПП, на обеих сторонах которой выполнены элементы проводящего рисунка и все требуемые соединения, в соответствии с принципиальной схемой. Электрическая связь посредством металлизированных отверстий. ЭРИ размещают как на одной стороне, так и на обеих сторонах.
Многослойная печатная плата ПП, состоящая из чередующихся слоев изоляции с проводящими рисунками на двух и более слоях. Электрическая связь между слоями выполняется спец. объемными деталями, печатными элементами или химико-гальваническими отверстиями [1].
При выборе типа конструкции ПП учитывают:
Основные типы печатных плат представлены на рисунке 2.
Рисунок 2 Типы печатных плат
a- односторонняя печатная плата; b-двусторонняя печатная плата; c-многослойная печатная плата
Монтажные отверстия отверстия для установки электрорадиоизделий.
Переходные отверстия отверстия для электрической связи между слоями или сторонами ПП. Различают:
Размер и форма контактных площадок в наружных, внутренних сигнальных слоях и в слоях земли и питания может быть различной (круглая, прямоугольная, квадратная и др.). Форма контактных площадок в наружных слоях определяется:
Координатная сетка ортогональная сетка, определяющая места расположения соединений ЭРИ с ПП.
Шаг координатной сетки расстояние между двумя соседними параллельными линиями координатной сетки [1].
ГОСТ 23751-86 устанавливает пять классов точности выполнения элементов конструкции ПП (таблица 4).
Основными критериями при выборе класса точности ПП являются:
Таблица 4 Область применения и технологическое обоснование классов точности ПП
Класс точности |
Область применения |
оборудование |
Основные материалы |
Вспомогательные материалы |
1 и 2 |
Для ПП с дискретными ЭРИ при малой и средней насыщенности |
Без ограничений |
Без ограничений для ПП 1 и 2 групп жесткости. Для 3 и 4 групп жесткости на основе стеклоткани. |
Без ограничения |
3 |
Для ПП с МСБ и ЭРИ, имеющих штыревые и планарные выводы при средней и высокой насыщенности поверхности ПП ЭРИ |
Фотокоординатограф, сверлильно-фрезерный станок, линии химики-гальваническогой металлизации и травления модульного типа. |
На основе стеклоткани с гальваностойкой фольгой толщиной не более 35 мкм. |
Сухой пленочный фоторезист. |
4 |
Для ПП с ЭРИ и ПМК, имеющих штыревые и планарные выводы, а также с безвыводными компонентами, при средней и высокой степени насыщенности поверхности ПП ЭРИ и ПМК |
Фотоплоттеры, плоттеры. |
Травящиеся термостойкие диэлектрики с тонкомерной фольгой, диэлектрик с адгезивным слоем |
Малоусадочная фотопленка с относительной усадкой не более 0,03 %. |
5 |
Для ПП с БИС и МСБ, имеющих штыревые и планарные выводы, ПМК при очень высокой насыщенности поверхности ПП ЭРИ и ПМК |
Специальное прецизионное оборудование, фотоплоттеры, плоттеры, лазерное оборудование |
Фоторезисты с высокой разрешающей способностью и толщиной не более 35 мкм |
Классы точности ПП, характеризуются номинальными значениями основных параметров (таблица 5):
Таблица 5 Наименьшие номинальные значения основных параметров для классов точности ПП
Выбрав тип конструкции и класс точности ПП, зная элементную базу и конструкторскую сложность, определяют по таблице 6 метод изготовления ПП [1].
Таблица 6 Обобщенные характеристики ПП и методы ее изготовления
При выборе материала основания ПП особого внимания требуют:
• Предполагаемое механическое воздействие (вибрации, удары, линейные ускорения);
• класс точности ПП (ширина проводников, расстояние между проводниками);
• реализуемые печатным узлом электрические функции.
Чаще используют фольгированные материалы с толщиной фольги 35 и 50 мкм [1].
1) Печатная плата будет разрабатываться для 1-го уровня модульности: ячейки.
2) Конструкция ячейки не унифицирована, поэтому будет разработана оригинальная конструкция ПП.
3) Бытовая ЭА должна иметь: ограниченные габариты и массу, обеспечивать простоту и надежность электрических соединений, устойчивость к ударам и вибрациям, ограниченную мощность рассеивания, минимальную стоимость.
Для 4-й группы жесткости при климатических воздействиях в соответствии с таблицей 1 допустимые значения воздействующих факторов следующие:
4) Анализ внешних воздействий, деградационных процессов, которые могут иметь место в ПП бытовой ЭА и способы борьбы с ними представлены в таблице 2.
5) Высокая конструкторская сложность функционального устройства (ФУ) 40 устанавливаемых ИМС на ПП) требует значительной трассировочной способности ПП, применения МПП и соответствующих технологических процессов ее изготовления.
6) В данном варианте нет параметра ФУ, влияющего на конструкцию ПП.
7) В данном ФУ применяют корпусные ИМС.
8) Элементная база представлена корпусными ИМС с выводами, устанавливаемыми в отверстия, следовательно, наиболее приемлимым в качестве конструкторско-технологического направления выбираем монтаж корпусных ИМС и ЭРИ на ПП. Тип сборки 1А, одностороняя установка ЭРИ в отверстия.
9) Выбираем тип ПП МПП (рисунок 3).
Рисунок 3 Многослойная печатная плата
А - сквозные скрытые переходные отверстия; Б - сквозное металлизированное отверстие; В - глухой микропереход; Г - скрытый микропереход
10) ИМС серии КА3525А выпускаются в корпусе P- DIP-14, имеющем 16 выводов прямоугольного сечения, размером 0,5 мм.
ИМС серии TDA7268 выпускаются в корпусе P- DIP-18, имеющем 16 выводов прямоугольного сечения, размером 0,4 мм.
11) Форма контактных площадок круглая.
12) Выбираем шаг координатной сетки 1 мм, т.к. шаг расположения выводов ИМС серии КА3525А и TDA7268 равен 1 мм.
13) ИМС КА3525А и TDA7268 потребляют мощность порядка 0,25 Вт, в теплоотводах нет необходимости.
14) Тип конструкции ПП выбираем МПП.
15) На основании таблиц 4 и 5 выберем класс точности 3.
Этот класс точности наиболее применяим при разработке МПП и имеющий ограничения по размерам элементов топологии, позволяющие использовать ИМС КА3525А и TDA7268 и наименьшие номинальные значения основных параметров класса точности позволяют монтировать выбранные ИМС.
16) Учитывая тип конструкции и выбранный класс точности ПП, по таблице 6 выбираем метод металлизации сквозных отверстий (ММСО), который является основным методом изготовления МПП.
17) Конструкция печатного проводника (рисунок 5) при изготовлении МПП ММСО.
1 медная фольга; 2 химическая медь; 3 гальваническая медь;
4 - металлорезист
18) Выбор габаритных размеров ПП:
Расстояние между корпусами двух соседних ЭРИ на ПП должно быть не менее 1 мм, а расстояние по торцу не менее 1,5 мм.
а) Выбор типоразмера ПП. Площадь ПП определяют по формуле:
где выберем равным 2, коэффициент зависящий от условий эксплуатации для обеспечения необходимого быстродействия и расстояния между корпусами ЭРИ;
площадь ИМС;
количество ИМС.
По ГОСТ 10317-79 подбираем: ширину ПП = 40 мм; длину ПП = 60 мм.
б) Определим длины электрических связей и числа слоев
Для МПП длина электрических связей является функцией числа и координат контактных площадок, электрически связанных с выводами ИМС:
где 𝛽=0,05..0,07 коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние ширины и шага проводников, эффективности трассировки, формы корпуса интегральных микросхем и монтажного поля (выбираем 𝛽=0,06);
и габаритные размеры ПП;
количества задействованных выводов;
количество интегральных микросхем.
Зная суммарную длину связей и шаг координатной сетки 1 мм можно определить число логических (сигнальных) слоёв МПП:
где коэффициент эффективности трассировки.
Округляем .
Число экранных слоев
Общее число слоев
в) Толщину ПП определим по формуле:
где толщина экранного слоя;
номинальное значение толщины слоя;
толщина прокладки стеклоткани.
Отклонения на суммарную толщину МПП должны не превышать 0,3 мм [1].
19) Исходя из условий эксплуатации, группы жесткости, типа печатной платы и технологии ее изготовления, в соответствии с [1, табл.2.1-2.7] выбираем в качестве материала основания ПП ФТС-2-18А.
20) Расчет элементов проводящего рисунка:
а) Номинальный диаметр монтажных отверстий:
где мм нижнее предельное отклонение диаметра отверстий [1];
максимальное значение диагонали среди выводов ИМС, установленных на ПП;
r=0,40,5 разница между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода, устанавливаемой интегральной микросхемы.
Округляем =1,2 мм.
б) Расстояние от края ПП до элементов печатного рисунка должно быть не менее толщины ПП, с учетом допусков на размеры сторон, примем [1].
в) Расстояние от края паза, выреза, неметализированного отверстия до элементов печатного рисунка:
где мм ширина скола;
позиционный допуск расположения центров КП;
позиционный допуск расположения осей отверстий; предельное отклонение размеров элементов конструкций; наименьшее расстояние от ореола, скола до соседнего элемента проводящего рисунка.
Значения этих коэффициентов взяты из [1].
г) Расчет ширины печатных проводников.
Наименьшее значение ширины проводника определяется как
где нижнее предельное отклонение размеров ширины печатного проводника для 3-го класса точности.
=0,457 мм (15)
минимально допустимая ширина проводника.
=175 мА максимально допустимый ток;
мм максимально допустимая длина проводника;
В допустимое падение напряжения.
Для медной фольги =18 мкм (толщина), (удельное сопротивление).
Для гальванической меди =25 мкм, .
Для сплава олово свинец =15 мкм, .
д) расчет диаметра контактных площадок.
Наименьшее номинальное значение диаметра КП определяется:
=(1,2+0,05)+20,1+0,1+20,03+ (16)
где предельное отклонение диаметра отверстия [1];
мм ширина контактной площадки (таблица 5);
=0,03 мм величина травления диэлектрика в отверстие.
е) Расчет расстояния между элементами проводящего рисунка.
Наименьшее номинальное расстояние между элементами проводящего рисунка:
где позиционные допуск расположения печатных проводников (таблицы 5);
минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка (таблица 5).
Наименьшее номинальное расстояние для размещения двух КП номинального диаметра в узком месте МПП в зависимости от размера и класса точности равно 2,06 [1, табл.3.24].
Наименьшее номинальное расстояние для размещения печатного проводника номинальной ширины между двумя контактными площадками в узком месте МПП в зависимости от размеров и класса точности ПП равно для внутренних слоев 2,65 мм и для наружных 2,5 мм [1,табл.3.25].
Наименьшее номинальное расстояние для прокладки n=2 проводниками между двумя отверстиями с контактными площадками диаметром :
21) Согласно техническому заданию для элементов электрической схемы справедлив экспоненциальный закон надежности, принимаются во внимание только внезапные отказы, т.е. вероятность с точки зрения отсутствия постепенных отказов равна единице. Учитываются только элементы электрической принципиальной схемы.
Суммарная интенсивность отказов равна:
где заданная интенсивность отказов i-го компонента;
количество компонентов электрической принципиальной схемы.
Наработка на отказ (средняя наработка на отказ) определяется следующим образом:
Вероятность безотказной работы за время равна:
Заключение
В курсовом проекте было произведено последовательное конструкторско-технологическое проектирование печатной платы.
Работа показала что, при разработке ПП особое внимание нужно уделять, то в какой среде будет эксплуатироваться разрабатываемое устройство. Внешняя среда оказывает дестабилизирующее внешнее воздействие, которое может привести к механическому повреждению печатной платы и выходу узла из строя. Учёт влияния внешней среды необходим в основном при выборе материала основания печатной платы.
Класс точности аппаратуры, в составе которой будет работать печатная плата, сложность функционального узла, класс точности печатной платы определяют технологию изготовления выбранного типа печатной платы, а также технологические допуски по размерам элементов топологии.
При разработке печатной платы также необходимо учитывать и электрическую нагрузку ПП, допустимые напряжения и токи. Исходя из этих данных, рассчитываются параметры проводников и проводящего рисунка. Электрические пробои проводников, плавление проводников и короткие замыкания являются следствиями неправильного расчёта параметров проводников и элементов проводящего рисунка.
Точный расчёт всех конструктивных параметров ПП является обязательным условием обеспечения требуемых надежностных характеристик ЭА, при эксплуатации в заданных условиях.
Список использованных источников
А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать | |||
52251. | Урок-узагальнення знань з теми «Атмосфера» | 62.5 KB | |
Обладнання: мультимедійна презентація Вид хмар плакат Космічний простір Ракети демонстраційні картки до конкурсів атласи мультимедійний проектор таблиці: Чисте повітря запорука здоровя. Запитання команді Восток Повітряна оболонка нашої планети. у Температура повітря залежить від Кута падіння сонячних променів Прилад для вимірювання напряму і сили вітру. Флюгер Наука що вивчає зміни показників стану повітря. | |||
52253. | НАВЧАННЯ АУДІЮВАННЮ З АНГЛІЙСЬКОЇ МОВИ | 184.5 KB | |
Труднощі сприйняття іноземної мови на слух – одна з основних проблем, з якою стикаються учні на початкових етапах навчання. Згодом ця проблема вирішується завдяки постійній практиці. | |||
52255. | Композиція музичного твору. Форми в музиці. Сонатна форма | 65.5 KB | |
Товаром на уроціаукціоні є знання учнів які пропонуються у вигляді лотів. Підготовкою запитань лотів може займатися як сам вчитель так і купці учні. Купці можуть готувати по дватри лоти завдання під керівництвом і контролем учителя. Скарбник після кожного лоту виконаного завдання визначає середній бал кожного акціонерного товариства й записує результати у зведену таблицю. | |||
52256. | Аукціон фізичних знань | 140.5 KB | |
Команда яка швидше записала букви в кінці зірки і прочитала слово отримує 5 балів. Інша команда якщо вона правильно впоралась з завданням отримує 4 бали. Команда прослухавши повідомлення і розглянувши портрет відгадує ім'я вченого. За кожен правильно вгаданий портрет команда отримує по 3 бали. | |||
52257. | Організація закупівлі товарів на аукціонах | 249.5 KB | |
Інструкційно методична карта практичного заняття № 4 Тема: Організація підготовки і проведення аукціону. Навчальні цілі заняття: ознайомити студентів з планом проведення заняття ; І виявлення знань студентів по темі використовуючи різні форми і методи контролю; ІІ привити практичні навички оформлення акційних документів; ІІ навчити самостійно робити висновки вносити пропозиції щодо організації підготовки та проведення аукціону; ІІІ формувати особу спеціаліста з сучасним економічним мисленням здатну... | |||
52259. | Рельєф. Тектоніка. Геологічнабудова. Корисні копалини України | 50.5 KB | |
Корисні копалини України. Корисні копалини України. прищеплювати любов до України географії. Обладнання: Фізична карта України Тектонічна карта України магнітофон жетони гонг штатив молоточок таблиці атлас України 89 класи призи. | |||