5.4 Правила установки микросхем
Под компоновкой ИС следует понимать их взаимную ориентацию в рабочей зоне печатной платы. Как уже отмечалось, компоновка ИС может осуществляться как с одной стороны печатной платы, так и с двух. Важную роль при компоновке ИС на печатной плате играет способ установки (при выборе способа установки на печатную платы ячейки был использован ОСТ92-9389-80), который должен обеспечивать: надежное механическое крепление и электрическое соединение выводов с контактными площадками печатной платы ячейки; возможность автоматизации и механизации сборки ячейки; возможность обеспечения демонтажа ИС в процессе изготовления и настройки ячейки.
В зависимости от конструктивного исполнения корпуса ИС они могут устанавливаться на печатную плату ячейки с формовкой выводов по ОСТ92-9388-80. Формовка выводов производится для увеличения расстояния между выводами, фиксации расстояния от корпуса до печатной платы, совмещения выводов с узлами координатной сетки печатной платы и обеспечения плотного прилегания плоского вывода к контактным площадкам при его электрическом присоединении. Поэтому необходимость введения дополнительных креплений может повлиять на установочную высоту элементов и соответственно на выбор варианта их компоновки. Таким же образом увеличение установочных размеров компонентов и в конечном итоге увеличение высоты устройства может происходить при введении конструкцию теплоотводящих шин.
Микросхемы в однотипных конструкциях на печатных платах, как правило, располагаются рядами. При наличии нескольких типов корпусов их желательно компоновать группами, включающими в себя только один тип корпуса. Это позволяет применять механизированные и автоматизированные методы сборки ячеек.
Установка и крепление ИС должны обеспечивать свободный доступ к любой из них и возможность замены. Шаг установки кратен основному шагу координатной сетки печатной платы.
5.5 Разработка печатной платы
Проектирование современной цифровой аппаратуры невозможно без применения средств автоматизированного проектирования. Для проектирования узлов печатных плат (ПП) широкое распространение получила система P-CAD, достаточно длительное время успешно применяемая в организациях и на предприятиях России. Эта система позволяет выполнить полный цикл проектирования ПП, включающий создание условных графических обозначений (УГО) ЭРЭ, разработки посадочных мест ЭРЭ на ПП, ввод и редактирование электрических схем, упаковку схем на ПП, размещение ЭРЭ на печатных патах, ручную, интерактивную и автоматическую трассировку проводников, контроль ошибок в схеме и на ПП и выпуск конструкторско-технологической документации.
Разводка печатной платы выполнена в P-CAD 2004.
Система P-CAD предназначена для проектирования многослойных печатных плат вычислительных и радиоэлектронных устройств. В состав P-CAD входят четыре основных модуля – P-CAD Schematic, P-CAD PSB, P-CAD Library Executive, P-CAD Autorouters и ряд других вспомогательных программ (рисунок 5.5).
P-CAD Schematic и P-CAD PCB графические редакторы принципиальных электрических схем и ПП соответственно. Редакторы имеют системы всплывающих меню в стиле Windows, а наиболее часто применяемым командам назначены пиктограммы.
Редактор P-CAD PCB может запускаться автономно и позволяет разместить модули на выбранном монтажно-коммутационном поле и проводить ручную, полуавтоматическую (интерактивную) и автоматическую трассировку проводников.
Если P-CAD PCB вызывается из редактора P-CAD Schematic, то автоматически генерируется список соединений схемы (netlist) и на поле ПП переносятся изображения корпусов компонентов с указанием линий электрических соединений между их выводами (происходит упаковка схемы на печатную плату). Затем вычерчивается контур ПП, на нем размещаются компоненты и, наконец, производится трассировка проводников.
Рисунок 5.8 – Структура системы проектирования P-CAD.
Модуль P-CAD Library Executive – осуществляет упаковку вентилей компонента, ведение и контроль библиотек. Модуль имеет средства просмотра библиотечных файлов, поиска компонентов, символов и корпусов компонентов по всем возможным атрибутам. Библиотеки P-CAD содержат как графическую информацию о символах и типовых корпусах компонентов, так и текстовую информацию (число секций в корпусе компонента, номера и имена выводов, коды логической эквивалентности выводов и т.д.).
Программа Library Executive имеет встроенные модули: Symbol Editor для создания и редактирования символов компонентов и Pattern Editor для создания и редактирования посадочного места и корпуса компонента.
В системе проектирования P-CAD трассировку можно разделить на два вида: автоматическую и ручную трассировки. В систему P-CAD входят четыре программы автоматической трассировки – Quick Route используется для трассировки несложных плат, содержащих небольшое число компонентов; PRO Route 2/4 трассирует однослойные и двухслойные платы без ограничения числа выводов или четырехслойные платы с числом выводов компонентов до 4000; PRO Route и P-CAD Shape-Based Router трассируют платы, имеющие до 30 слоев без указанных ограничений. Также можно установить дополнительно к P-CAD еще один автотрассировщик SPECCTRA – программа ручного, полуавтоматического и автоматического размещения компонентов и трассировки проводников. Трассирует ПП большой сложности с числом слоев до 256. В программе используется так называемая бессеточная технология трассировки. За счет этого повышается эффективность трассировки ПП с высокой плотностью размещения компонентов, а также обеспечивается трассировка одной и той же цепи трассами различной ширины. Трассировщик имеет модуль AutoPlace, предназначенный для автоматического размещения компонентов на ПП. Вызов программы производится автономно из среды Windows или из программы P-CAD РСВ. На сегодняшний день SPECCTRA является наиболее “продвинутым” автотрассировщиком печатных плат и используется при проектировании сложных печатных плат. В разрабатываемом проекте использовался автотрассировщик SPECCTRA.
Алгоритм проектирования топологии платы.
Перед началом трассировки необходимо было на основе электрической принципиальной схемы сгенерировать список цепей элементов схемы (netlist), а также был создан файл, содержащий знакоместа компонентов, вручную размещенные в монтажно-коммутационном поле печатной платы, с обозначенными связями между ними, соответствующими электрической схеме (т.е. электрическая схема была упакована на печатную плату).
Затем были установлены зазоры для всех слоев коммутационной платы.
Проектируемая плата имеет 2 сигнальных слоя: Top (верхняя сторона платы) и Bottom (нижняя сторона платы).
Автотрассировщик SPECCTRA использует алгоритмы, реализуемые за несколько проходов трассировки. В автоматическом режиме система перед началом трассировки выполняет анализ печатной платы, подбирая подходящую стратегию для трассировки. На первом проходе выполняется соединение абсолютно всех проводников без обращения внимания на возможные конфликты, заключающиеся в пересечении проводников даже на одном слое и нарушении зазоров.
На каждом последующем проходе автотрассировщик пытается уменьшить количество конфликтов, разрывая и прокладывая вновь связи (метод Rip-up-and-retry) и проталкивая проводники, раздвигая соседние (метод Push-and-shove). Информация о конфликтах на текущем проходе трассировки используется для "обучения" изменения весовых коэффициентов (штрафов) так, чтобы путем изменения стратегии уменьшить количество конфликтов на следующем проходе.
Несмотря на все преимущества автотрассировщика SPECCTRA, автоматическая трассировка является неидеальной. В данном случае после разводки остались неразведенными некоторые цепи и обнаружились места с усложненой коммутацией, которые не всегда оправданы и требуют ручной корректировки.
Таким образом, в завершение работы были устранены места неоптимальной разводки и в интерактивном режиме проведены вручную неразведенные связи.
Вопросы рационального конструирования образцов радиоэлектронной аппаратуры на современном этапе развития науки и техники играют существенную роль в проблеме комплексной миниатюризации, так как определяют техническую и экономическую эффективность разработки, изготовления и эксплуатации.
В процессе разработки конструкции узла необходимо рассматривать следующие вопросы:
1. оптимального размещения элементов на печатной плате.
2. обеспечения максимальной помехоустойчивости функциональных узлов в условиях паразитных воздействий помех, формирующихся на печатной плате или во внешней среде.
3. обеспечение оптимального режима работы узла.
Кроме того, необходимо оценить уровень эффективной комплексной миниатюризации, стандартизации, унификации качества и технологичности конструкции на этапах проектирования, производства и эксплуатации.
Основным типом линии передачи в маломощных узлах являются печатные проводники расположенные на диэлектрическом основании.
При выборе материала печатной платы следует учитывать метод получения печатных проводников, надежность крепления элементов к контактным площадкам, толщину печатных проводников, прочность крепления печатных проводников к основанию. Кроме того, необходимо учитывать требования тепловой стойкости, химической стойкости, влагостойкости, диэлектрической проницаемости, тангенсу угла диэлектрических потерь, стоимость материала и стабильность его электрических параметров.
В качестве материала печатной платы используется двухсторонний фольгированный стеклотекстолит толщиной 1,5 мм марки СФ – 2 – 35 [11] со следующими характеристиками:
-
диэлектрическая проницаемость =6;
-
тангенс угла диэлектрических потерь tg=25010-4;
-
диапазон рабочих температур t = - 60…+80 °C.
В качестве проводящего слоя используется медная фольга М1 толщиной 35 мкм [10].
Указания по изготовлению печатной платы:
-
Плата должна соответствовать [14].
-
Шаг координатной сетки 0,5 мм.
-
Проводники, условно обозначенные сплошными линиями, выполнять шириной 0,1– 0,3 мм.
-
Расстояние между проводниками не менее 0,3 мм.
-
Допускается в узких местах занижение контактных площадок до 0,15 мм.
-
Допускается скругление углов контактных площадок и проводников.
Остальные технические требования по [15].
Схемы на двухсторонних печатных платах разводятся гораздо легче, т.к. в двух слоях проще осуществить разводку пересекающихся трасс. Однако для аналоговых схем пересечение трасс выполнять не рекомендуется. Где возможно, нижний слой (bottom) необходимо отводить под полигон земли, а остальные сигналы разводить в верхнем слое (top). Использование полигона в качестве земляной шины дает несколько преимуществ:
-
Общий провод является наиболее часто подключаемым в схеме проводом; поэтому резонно иметь "много" общего провода для упрощения разводки.
-
Увеличивается механическая прочность платы.
-
Уменьшается сопротивление всех подключений к общему проводу, что, в свою очередь, уменьшает шум и наводки.
-
Увеличивается распределенная емкость для каждой цепи схемы, помогая подавлять излучаемый шум.
-
Полигон, являющийся экраном, подавляет наводки, излучаемые источниками, располагающимися со стороны полигона.
На рисунке 5.9 представлена печатная плата.
а б
Рисунок 5.9 – Печатная плата USB-устройства (а – верхний слой, б – нижний слой)
Размер печатной платы: 50×40 мм.
|
