Разработка конструкции печатной платы в P-CAD

1. Этапы выполнения курсового проекта (КП)

1. Получить варианты заданий у преподавателя.
2. Создать папку проекта и всю информацию о проекте хранить в ней.
3. Создать библиотеку компонентов, для этого:
   1. построить условные графические изображения (УГО) элементов в соответствии с ГОСТ (см.приложение ) редактором Simbol Editor (или Schematic);
   2. найти в справочниках габаритные размеры корпусов элементов, входящих в схему; рассчитать размеры контактных площадок,
   3. по полученным размерам построить конструкторско-технологические образы (КТО) (посадочные места) редактором Pattern Editor (или PCB);
   4. объединить УГО и КТО в типовые компонентные модули (ТКМ или компоненты) редактором Library Executive.
4. Создать электрическую принципиальную схему, объединенную библиотеку, включающую все компоненты схемы, файл соединений, протокол ошибок редактором Schematic.
5. Рассчитать размеры печатной платы (ПП).
6. Построить в PCB контур ПП, нанести монтажные отверстия, зоны металлизации, запрета трассировки и др.
7. Произвести упаковку элементов на ПП в редакторе PCB, оптимизировать размещение элементов на ПП вручную.
8. Задать правила трассировки.
9. Осуществить трассировку ПП с помощью трассировщиков PCAD в соответствии с заданием на курсовое проектирование.
10. Распечатать средствами PCAD:
    1. схему принципиальную электрическую с оформлением по ГОСТ 2.104-68;
    2. вид ПП с размещением компонентов и разведенными трассами по слоям;
    3. сборочный чертеж ПП;
    4. 3D вид ПП средствами программы T-FLEX Печатные платы.
11. На защиту представить:
    • пояснительную записку в печатном виде;
    • папку проекта в электронном виде;

2. Содержание пояснительной записки

Пояснительная записка выполняется на бумаге формата А4 и должна иметь:

1. титульный лист;
2. задание на КП, соответствующее заданному варианту;
3. анализ технического задания;
4. перечень элементов по ГОСТ 2.104-68;
5. описание процесса разработки УГО, КТО и ТКМ в P-CAD;
6. обоснование выбора и графическое изображение элементов с габаритными размерами со ссылкой на источник;
7. графическое изображение УГО, КТО ТКМ и таблицы связей для ТКМ всех элементов, вид библиотеки в Sources Browser;
8. расчеты и графическое изображение всех типов контактных площадок;
9. описание процесса разработки схемы электрической принципиальной,
10. схему, оформленную по ГОСТ 2.104-68. ЕСКД.;
11. протокол проверки правильности электрических соединений;
12. обоснование размещения компонентов на ПП;
13. расчет и обоснование выбора толщины проводников;
14. расчет размера ПП;
15. обоснование задания правил проектирования;
16. результаты автоматической трассировки, результаты полной трассировки с обоснованием;
17. файл результатов верификации;
18. чертеж платы (вид со стороны элементов и со стороны пайки), оформленную по ГОСТ 2.417-91;
19. сборочный чертеж печатного узла, спецификацию;
20. 3D изображение печатного узла;
21. список использованных источников.

Пояснительная записка не должна содержать:

• перепечатки (или пространного пересказа) методичек и других источников по работе с системой P-CAD;
• описаний и пояснений, не относящихся к проекту.

К пояснительной записке должены прилагаться проект в электронном виде и презентация, без которых работа не рассматривается.

Содержание папки проекта в электронном виде:

• библиотеки, содержащие символы (УГО), посадочные места (КТО), компоненты (ТКМ);
• схема;
• протокол ошибок проверки схемы;
• размещение компонентов на ПП с электрическими связями;
• полностью разведенная ПП;
• протокол ошибок проверки разведенной ПП;
• сборочный чертеж ПП;
• пояснительная записка в электронном виде.

3. Рекомендации по выполнению КП

3.1. Организация работы

Для работы над КП рекомендуется создать отдельную папку и все файлы проекта сохранять только в ней.

Названия папок и файлов должны отражать их содержание, в названиях файлов и папок кириллицу не использовать. В лаборатории сохранять проект в директории, назначенной преподавателем.

Рекомендуется после выполнения каждого этапа проекта оформлять его документально и сохранять в папке пояснительной записки.

3.2. Создание перечня элементов

Проанализировать полученную в задании на проектирование схему электрическую принципиальную и составить перечень элементов в соответствии с ГОСТ 2.701-84. Для этого подобрать все элементы, входящие в схему, с помощью справочников по заданным электрическим характеристикам и документально оформить их вид, размеры и необходимые параметры, пример на рис. 1,а, б.

Рис. 1. Справочные данные на элементы: a- chip NTC-термистор EPCOS C620, б- dip- транзистор КТ315В

3.3. Создание библиотек

В программах P-CAD УГО, КТО и ТКМ сохраняются в интегрированных библиотеках, это означает, что библиотека представляет собой один файл (с расширением .lib), который может содержать до 1000 единиц перечисленных элементов. При наличии большого количества элементов имеет смысл создать несколько библиотек, содержащих наборы элементов, составленных по определенному признаку, что упрощает поиск нужного элемента. В КП рекомендуется использовать не более 3 файлов библиотек.

Любую новую библиотеку можно сформировать в процессе создания очередного объекта хранения, но лучше продумать состав и количество библиотек заранее. Для нескольких библиотек полезно создать папку Library в составе папки проекта.

Название элементов библиотеки:

• УГО - буквенный код по ГОСТ 2.710-81;
• КТО - наименование типа элемента с признаком КТО, например КТ315В_K;
• ТКМ - наименование типа элемента.

Структуру библиотеки можно просмотреть в Library Executive.

Создать УГО всех элементов, руководствуясь методическими указаниями к лабораторной работе [9]. Изображение символа компонента, его размер, пропорции и обозначение определяются требованиями ЕСКД (см.приложение).

Создать КТО всех элементов, размеры получить из справочников, рассчитать размер контактных площадок.

3.4. Расчет контактных площадок (КП)

3.4.1. КП для навесных элементов

Контактные площадки представляют собой участки металлического покрытия, которые соединяют печатные проводники с металлизацией монтажных отверстий. Их площадь должна быть такой, чтобы не было разрывов при сверлении и остался гарантийный поясок меди шириной не менее 50 мкм. Разрывы контактных площадок не допускаются, так как при этом уменьшаются токонесущая способность проводников и адгезия к диэлектрику.

Одними из главных элементов конструкции ПП являются отверстия. Большинство конструктивных и технологических параметров ПП связано именно с размерами этих отверстий, которые могут быть металлизированными и гладкими, а по назначению - монтажными, в которые устанавливаются и запаиваются выводы элементов, и переходными (межслойными), обеспечивающими только электрические соединения между слоями платы.

Металлизированные монтажные отверстия исполняют одновременно роль переходных отверстий. Кроме того, на ПП обычно присутствует некоторое количество неметаллизированных конструкционных отверстий, служащих для фиксации компонентов, крепления печатных плат к несущим элементам конструкций и для других целей. Эти отверстия чаще всего бывают гладкими, без контактных площадок и металлизации. Однако нередко, а в импортной технике - как правило, крепежные отверстия с целью удешевления производства выполняются одновременно с монтажными (по той же технологии), и поэтому у них есть внутренняя металлизация, но отсутствуют контактные площадки.

Основные варианты конструкции отверстий ПП показаны на рис. 2.

Рис. 2. Отверстия в ПП: а - однослойной, б - двухслойной

Главный параметр отверстия - его диаметр ( ), который у неметаллизированных отверстий совпадает с диаметром сверления (dc). Для металлизированных отверстий диаметр отверстия отличается от диаметра сверления на двойную толщину металлизации, а в случае применения гальванического покрытия еще и на двойную толщину этого покрытия.

Минимальный диаметр металлизированных отверстий определяется соотношением (диаметр отверстия к толщине платы), которое оговорено ГОСТ 23751-86 и зависит от класса точности. Эти данные содержатся в табл. 1.

В любых металлизированных отверстиях следует предусматривать гарантированный зазор (не менее 0,1 мм) для заполнения металлизированного отверстия расплавленным припоем.

У печатных плат с гладкими отверстиями (однослойных и двухслойных без металлизации) диаметр рассчитывается только из условий собираемости. В многовыводных компонентах, например в микросхемах со штыревыми выводами, разница между диаметром отверстия и размером вывода не должна быть меньше суммы допусков на точность положения выводов и отверстий на печатной плате (для всех типов плат).

В отношении элементов с осевыми выводами, отформованными (изогнутыми) для крепления на печатных платах, такое требование не выставляется. Гибкость выводов компенсирует все неточности.

У печатных плат, предназначенных для автоматизированной сборки, этот зазор должен составлять 0,4...0,5 мм.

Диаметры отверстий печатных плат (гладких и металлизированных) следует выбирать из ряда, приведенного в ГОСТ 10317-79, который включает диаметры от 0,4 до 3,0 мм через 0,1 мм, кроме диаметров 1,9 и 2,9 мм.

Определить размеры вывода для распайки в то или иное отверстие помогает следующая формула:

где

• - диаметр отверстия;
• - диаметр или диагональ вывода;
• - модуль (абсолютное значение) нижнего значения допуска на отверстие.

Предельные отклонения размеров отверстий, оговоренные ГОСТ 23751-86, представлены в табл. 2.

Диаметры переходных отверстий выполняют аналогично монтажным, но во всех случаях стараются сделать эти отверстия с минимальными размерами, допустимыми для конкретной толщины печатной платы. Часто минимальный диаметр отверстия определяется диаметром сверла или возможностями оборудования. При хорошем оснащении производства могут быть выполнены отверстия с диаметрами 0,3 или 0,4 мм.

Центры отверстий должны располагаться в узлах координатной сетки. При применении навесных (дискретных) элементов с шагом выводов, не кратным шагу координатной сетки, необходимо в узле координатной сетки располагать одно из отверстий, принятое за основное. Остальные отверстия располагают в соответствии с рабочим чертежом элемента.

Наименьший номинальный диаметр контактной площадки рассчитывают по формуле:

где

• - диаметр отверстия;
• - верхнее предельное отклонение диаметра отверстия;
• - верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки;
• - значение подтравливания диэлектрика в отверстии, равно нулю;
• - нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки;
• - значение позиционного допуска расположения осей отверстий;
• - значение позиционного допуска расположения центров контактных площадок.

Многие элементы, монтируемые в отверстия, при ручном монтаже фиксируются отгибкой выводов, что исключает выпадение (или смещение) элементов, пока они не будут припаяны. Одним из эффективных приемов временного закрепления элементов как с осевыми, так и со штыревыми выводами является формовка выводов в форме зига. Это наиболее простой и дешевый способ обеспечить установку элементов с зазором над платой и временно закрепить их до пайки. Причем некоторые отечественные (конденсатор К10-176) и многие зарубежные производители компонентов поставляют элементы с заранее отформованными соответствующим образом выводами ( рис. 3).

Рис. 3. Варианты формовки штыревых выводов:а - выводы без формовки, б - выводы отформованы при изготовлении, в- выводы отформованы потребителем

Согласно ГОСТ 29137-91 предполагается два варианта: зиг-вывод ( рис. 4), вариант а, и зиг-замок, вариант б. Вариант а предполагает (при необходимости) фиксацию отгибкой выступающих концов выводов. Вариант б удерживает элемент на плате за счет изогнутого вывода. Оба варианта формовки выводов допускают установку элементов на посадочные места, предназначенные для неотформованных выводов. Это значит, что посадочные места элементов не требуют изменений в случае использования зиг-замков или отказа от их применения. Параметры элементов приведены в табл. 3.

Рис. 4. Варианты формовки: а - зиг-вывод, б - зиг-замок