CC BY
227
УДК 681.321
Гриднев В. Н., Кондаков Н.А., Трошина Д.П., Фатхутдинов Т.М.
ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана исследовательский университет), Москва, Россия
АНАЛИЗ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
(национальный
Работа посвящена анализу проектирования слоев многослойных печатных плат. Рассмотрены влияния величины диэлектрической проницаемости подложки и расстояния между печатными слоями. Разобраны основные правила проектирования, а также технология изготовления многослойных печатных плат. По результатам исследований правил даны общие рекомендации к проектированию многослойных печатных плат.
Ключевые слова:
МНОГОСЛОЙНАЯ ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА, АППАРАТНАЯ ЗЕМЛЯ, РОЖКА
Введение
ТРАССИРОВКА, ПЕЧАТНЫЕ ПРОВОДНИКИ, ПЕЧАТНАЯ ДО-
В условиях микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры все большую актуальность приобретают вопросы проектирования коммутационных структур. Классическим решением для коммутационной структуры функциональных модулей электронной аппаратуры (ЭА) являются многослойные печатные платы - печатные платы, состоящие из нескольких слоев диэлектрика с проводящими рисунками между слоями и на внешних сторонах. Главной задачей при проектировании многослойных печатных плат является обеспечение надежной конструкции, а также высокое качество передаваемого сигнала. Актуальность исследований обусловлена тем, что на сегодняшний день все больше электронных устройств имеют немалое количество используемых элементов и жесткие ограничения по габаритам устройства, что приводит к необходимости использования многослойных печатных плат, в том числе и в ВЧ диапазоне [1-5].
При проектировании слоев печатной платы устанавливается последовательность расположения слоев печатных дорожек; принимается решение: какие из них должны быть сплошными слоями питания и земли; учитываются величина диэлектрической проницаемости подложки и расстояние между печатными слоями; рассчитываются требуемые размеры печатных дорожек и минимальная ширина промежутков между ними. Стоит отметить и влияние выбора технологии изготовления на конструкцию многослойной печатной платы.
В данной статье излагаются основные правила проектирования многослойных печатных плат. Следование этим правилам обеспечивают достижение высокой надежности получаемых изделий, а также минимизацию искажений выходного сигнала получаемых от пассивных компонентов.
1 Проектирование слоев земли и питания
Для того, чтобы спроектировать систему питания и привязки к земле, необходимо прежде всего задать такие параметры, как длительность фронтов сигналов, количество сигнальных линий, геометрические размеры печатной платы и ориентировочную ширину печатных дорожек [6]. На первом этапе проектирования платы точное значение ширины печатных дорожек не имеет особого значения.
Далее оцениваются величины собственной и взаимной индуктивности печатных сигнальных линий для вариантов сплошного слоя земли, а также решетчатой и гребенчатой структуры шин земли. На этом этапе, как правило, выясняется, какой из типов системы привязки к земле удовлетворяет техническим требованиями. В случае гребенчатой структуры шин земли все сигнальные линии оказывают влияние друг на друга. В случае решетчатой структуры шин земли взаимное влияние друг на друга оказывают только те сигнальные линии, которые проходят в одном промежутке между координатными печатными дорожками решетчатой структуры, а в случае сплошного слоя только соседние сигнальные линии оказывают взаимное влияние друг на друга [7, 8].
При закладывании в конструкцию печатной платы сплошной слой земли, следует делать сплошные опорные слои парами, симметрично расположенными по толщине укладки платы. Симметричные пары сплошных металлизированных слоев в многослойной печатной плате препятствуют короблению печатной платы [9]. Слои питания, аналогично слоям земли, могут использоваться в качестве пути наименьшей индуктивности для возвратных токов сигналов. При
включении между слоями земли и питания достаточного количества блокировочных конденсаторов, линии передачи, проложенные над слоем питания, работают так же хорошо, как и линии, проложенные над слоем земли.
2 Выбор геометрических размеров печатных дорожек
Поскольку стоимость печатной платы пропорциональна количеству слоев и площади платы, мы стремимся во что бы то ни стало разработать надежно функционирующую печатную плату с минимально возможным количеством слоев. Но уменьшение ширины печатных дорожек и ширины промежутка между ними приводит также к росту перекрестных помех и снижению допустимой токовой нагрузки печатных дорожек. В первую очередь разберемся с допустимой токовой нагрузкой печатных дорожек: она зависит главным образом от площади ее поперечного сечения. Также допустимая токовая нагрузка печатной дорожки зависит от превышения температуры печатного проводника относительно температуры окружающей среды т.к. нагрев печатных дорожек вызывает снижение надёжности и нагрев цепей цифровой схемы. Безопасным, с точки зрения надежности работы схемы, является превышение температуры относительно окружающей среды на 100С. На рисунке 1 приведены графики для расчета температуры нагрева печатной дорожки в зависимости от приложенной к ней токовой нагрузки. Оптимального расположения слоёв по определённому порядку не существует. Проанализирована стандартная укладка слоёв, элементы которой пользуются уже больше 10 лет. Стоит ещё отметить, что на конструкцию МПП сильно влияет технология её изготовления [1-4]. Например, для печатной дорожки шириной 0,3 мм из одноунциевой меди (толщина меди составляет 35 мкм) токовая нагрузка, при которой она нагревается на 10°С, составляет 750 мА.
Вторым нижним ограничением на допустимую ширину печатных дорожек являются технологические возможности производства. В табл. 1 приведены предельно достижимые значения минимальной ширины печатных проводников, обеспечиваемые разными технологиями изготовления печатных плат.
Главным вопросом является правильная оценка шага дорожек, требующегося для прокладки N соединений на плате определённых размеров, состоящей из М слоёв печатных проводников. Зная шаг печатных дорожек, можно оценить стоимость изготовления ПП и расчётный уровень перекрёстных помех. Шаг печатных дорожек определяется плотностью трассировки. Для расчёта плотности трассировки используют множество правил, но основное - правило Рента [10]:
где: N - количество печатных соединений; Рауд -Средний шаг печатных дорожек в дюймах; X - ширина платы в дюймах; У - высота платы в дюймах; М -количество слоёв печатных проводников.
Ограничения по токовой нагрузке, стоимости и точности соблюдения волнового сопротивления определяют, как правило, конкретное значение ширины печатных дорожек. При выбранной ширине печатных дорожек, толщина подложки определяется, исходя из заданного значения волнового сопротивления печатных линий передачи [11].
Рисунок 1 - Допустимая токовая нагрузка в зависимости от площади поперечного сечения печатного
проводника при различных температурах [1]
Таблица 1
Предельно достижимое значение минимальной ширины печатных проводников, обеспечиваемое разными
технологиями изготовления печатных плат
Технология Предельно достижимая минимальная ширина печатного проводника (мм)
Нанесение печатных проводников из золота на толстопленочную подложку методом трафаретной печати 0.3
Изготовление печатных проводников методом травления медной фольги на стеклотекстолитовой подложке с по- следующим электрохимическим осаждением меди 0.1
Изготовление печатных проводников методом травления медной фольги на стеклотекстолитовой подложке без по- следующего электрохимического осаждения меди 0.07
Изготовление печатных проводников методом напыление слоя золота на тонкопленочную подложку с последующим травлением 0 .03
Проектирование ПП целесообразнее выполнять по правилам каскадной (в отличие от итеративной) модели жизненного цикла c использованием средств автоматизированного проектирования, например, ALTIUM DESIGN. Обобщенная методика автоматизированного проектирования приведена в работах [12-19].
Дополнительное пространство на плате для прокладки печатных соединений может быть обеспечено за счёт менее плотной компоновки микросхем на плате, но при этом возрастает общая площадь ПП. Если возникает проблема перекрёстных помех, нужно использовать такой вариант трассировки, чтобы печатные дорожки плотно сближались друг с другом только в пространстве между выводами микросхем, а затем сразу же расходились в стороны, пока им не встретится следующая микросхема. Не стоит рассчитывать на то, что удастся использовать для прокладки печатных дорожек более половины свободного пространства между отверстиями под выводы микросхем.
Для оценки уровня перекрестных помех определяется минимальная ширина промежутков между печатными дорожками (расстояние между продольными осями печатных дорожек). Эта величина называется минимальным шагом дорожек. Неиспользуемый промежуток между дорожками называется междорожечным зазором. Шаг размещения дорожек равен сумме меж-дорожечного зазора и ширины печатных дорожек.
3. Классический вариант укладки слоев
Рассмотрим классический вариант проектирования проводящего рисунка для 6 слоев. На рис. 2 приведён классический вариант укладки слоев.
Традиционно принято прокладывать печатные дорожки в одном слое параллельно друг другу. В каждом последующем слое печатные дорожки повернуты под прямым углом по отношению к ориентации печатных дорожек в нижнем слое. Только некоторые дорожки прокладываются по диагонали слоя платы
или имеют длинные изгибы под прямым углом. При такой ориентации печатных дорожек возрастает эффективность трассировки.
Термины основа и препрег означают материалы, используемые в технологии изготовления многослойной печатной платы. Ниже приводится краткое описание одной из широко применяемых технологий изготовления печатных плат. При необходимости жесткого соблюдения заданной высоты подъема печатных проводников над сплошными слоями земли требуется знать свойства материалов основы и препрега.
Процесс изготовления многослойной печатной платы начинается с того, что берется комплект заготовок из двухстороннего фольгированного диэлектрика [20, 21]. В слоях медной фольги, предназначенных для внутренних слоев печатных проводников, вытравливается проводящий рисунок. Слои медной фольги, предназначенные для наружных слоев, остаются нетронутыми. Такие заготовки диэлектрика с вытравленным в покрывающих их слоях меди рисунком печатных дорожек называются основой. Расстояние между слоями печатных дорожек, покрывающих с обеих сторон диэлектрическую подложку основы, зависит от ее толщины.
Затем основы укладывают в заданном порядке друг на друга, прокладывая между ними препрег, представляющий собой диэлектрическую основу, пропитанную частично отвержденной эпоксидной смолой. В процессе горячего прессования происходит размягчение и полимеризация смолы, в результате чего слои основы склеиваются с препре-гом. Толщина перепрега после такой обработки определяет расстояние между слоями печатных проводников, между которыми он проложен. Препрег, полимеризуясь, превращается в твердый слой стеклотекстолита, имеющий ту же диэлектрическую проницаемость, что и основа. Укладка слоев основы и препрега чередуются друг с другом.
Рисунок 2 - Укладка слое
В зависимости от особенностей используемой технологии изготовления печатной платы в качестве наружного слоя печати используется слой медной фольги с одной стороны основы, который был оставлен нетронутым при травлении, или же слой фольги, приклеиваемый к наружной стороне препрега в процессе прессования печатной платы. В любом случае наружный слой представляет собой сплошной слой меди (еще не подвергшийся операции травления).
После полимеризации препрега в полученной многослойной структуре сверлят отверстия. Через просверленные отверстия открывается доступ к печатным проводникам, расположенным во внутренних слоях платы, и контактным площадкам, сквозь которые проходят отверстия, но они пока еще остаются электрически изолированными друг от друга.
Далее производится химическое осаждение слоя меди на стенки отверстий и одновременно на внешнюю поверхность печатной платы. В целях сокращения расхода материала и продолжительности этой операции, перед ее выполнением на наружную поверхность печатной платы, как правило, наносится защитная маска, покрывающая всю поверхность платы за исключением рисунка печатных дорожек, заложенных в трассировку платы, и площадок вокруг отверстий, просверленных в плате. После этой операции толщина печатных дорожек в наружном слое фольги становится несколько больше исходной толщины медной фольги. Именно этот прирост толщины служит причиной увеличения неравномерности ширины печатных проводников, выполненных во внешних слоях, по сравнению с внутренними слоями.
Завершает процесс изготовления печатной платы травление рисунка печатных проводников в наружных слоях металлизации. После этого проводники наружных слоев платы покрываются защитной паяльной маской, наносится маркировка, производится осаждение металлов или горячее лужение припоем (если это заложено в технические требования).
По результатам всех технологических операций получаем высококачественную многослойную печатную плату, в которой минимизированы негативные влияния шины питания, внешних наводок и сигнальных проводников друг на друга. Предлагаемая методика направлена на решения проблем неоптимального использования ресурсов, которые в первую очередь сказываются на увеличении издержек предприятия, качестве рабочего процесса и выпускаемого продукта. Она полностью удовлетворят требованиям концепции "Бережливого производства" [22, 23] и позволяет минимизировать потери на каждом этапе производственного процесса, тем самым существенно улучшив экономические показатели предприятия. Залогом успешности современного производства является постоянное сокращение издержек, улучшение качества продукции и непрерывное совершенствование процессов.
Заключение
По результатам анализа методов проектирования многослойных печатных плат можно констатировать, что:
- при анализе требуемых параметров определяются важные числовые характеристики, без которых можно сильно проиграть не только в качестве и габаритных размерах, но и в себестоимости печатной платы;
- проводя трассировку проводников, проанализировав перед этим влияние проводников между собой, можно повысить качество характеристик передачи сигнала;
- использование классических вариантов укладки слоев дает возможность получать шаблон при проектировании многослойных печатных плат для различных устройств со схожими требованиями.
В итоге можно отметить, что предлагаемая методика приводит к получению на выходе высококачественных многослойных печатных плат с низкой себестоимостью.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гриднев В.Н., Гриднева Г.Н. Проектирование коммутационных структур электронных средств -Москва, 2014. Том 7. 344 с.
2. Aлексеев В.Г., Гриднев В.Н., Нестеров Ю.И., Филин Г.В. Технология ЭВA, оборудование и автоматизация - Москва, Издательство "Высшая Школа". 1984. 392 с.
3. Гриднев В.Н., Яншин A.A. Технология элементов ЭВA - Москва, Издательство "Высшая Школа". 1976. 288 с.
4. Юрков Н.К. Технология производства электронных средств // Учебник - Лань, 2014, - 480 с.
5. Юрков Н.К. Технология радиоэлектронных средств // Учебник - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012, - 640
с.
6. Brokaw, Paul and Jeff Barrow, "Grounding for Low- and High-Frequency Circuits," Analog Devices Application Note AN-345. [Брокау, Пол и ДжеффБарроу «Заземление в низко- и высокочастотных схемах»]
7. DiSanto, Greg, "Proper PC-Board Layout Improves Dynamic Range", EDN, November 11, 2004. [ДиСанто, Грег «Правильная топология ПП улучшает динамический диапазон»]
8. Johnson, Howard W., and Martin Graham, High-Speed Digital Design, a Handbook of Black Magic, Prentice Hall, 1993. [Джонсон, ХовардУ., Мартин Грэхем «Проектирование высокоскоростных цифровых схем»]
9. Buxton, Joe, "Careful Design Tames High-Speed Op Amps," Analog Devices Application Note AN-257. [Бакстон, Джо «Правильное проектирование приручает высокоскоростные ОУ»]
10. Ron Mancini Op Amps For Everyone // Design Reference. 2002. August.
11. Зимин Д.В., Гриднев В.Н. Обеспечение качества проектирования многослойных печатных плат при конструировании ВЧ-устройств // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2 017. Т. 2. С. 183-186.
12. Горячев Н.В., Юрков Н.К. Типовой маршрут проектирования печатной платы и структура проекта в СAПР электроники ALTIUM DESIGN // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 120-122.
13. Гриднев В.Н., Емельянов Е.И., Власов A-И., Леонидов В.В. Методика автоматизированного проектирования электронных коммутационных структур в среде ALTIUM DESIGNER // Датчики и системы. 2016. В 5 (203). С. 28-36.
14. Гриднев В.Н., Емельянов Е.И., Власов A-И., Карпунин A.A. Методика автоматизированного проектирования электронных коммутационных структур в среде ALTIUM DESIGNER: Управление проектом // Датчики и системы. 2016. В 6 (204). С. 46-52.
15. Гриднев В.Н., Григорьев П.В., Емельянов Е.И., Камышная Э.Н. Методика автоматизированного проектирования электронных коммутационных структур в среде ALTIUM DESIGNER. Разработка библиотеки посадочных мест // Датчики и системы. 2016. В 7 (205). С. 33-41.
16. Aрабов Д.И., Гриднев В.Н., Емельянов Е.И., Леонидов В.В. Методика автоматизированного проектирования электронных коммутационных структур в среде ALTIUM DESIGNER. Разработка библиотеки компонентов // Датчики и системы. 2016. В 8-9 (206). С. 42-51.
17. Власов A-И., Гриднев В.Н., Жалнин В.П., Емельянов Е.И. Методика автоматизированного проектирования электронных коммутационных структур в среде ALTIUM DESIGNER. Схемотехническое проектирование // Датчики и системы. 2016. В10 (207). С. 37-45.
18. Власов A-И., Гриднев В.Н., Жалнин В.П., Емельянов Е.И. Методика автоматизированного проектирования электронных коммутационных структур в среде ALTIUM DESIGNER. Топологическое проектирование // Датчики и системы. 2016. В11 (208). С. 28-39.
19. Власов A-И., Гриднев В.Н., Жалнин В.П., Емельянов Е.И. Методика автоматизированного проектирования электронных коммутационных структур в среде ALTIUM DESIGNER. Синтез проекта коммутационной структуры // Датчики и системы. 2016. В12 (209). С. 34-45.
20. Гриднев В.Н., Жалнин В.П., Козлова A.K). Комплексная методика автоматизированного технологического проектирования в среде СAМ350 // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2017. В 2 (166). С. 55-66.
21. Власов A-И., Гриднев В.Н., Милешин С-A., Козлова A.K). Маршрут технологической подготовки производства печатных плат в среде СAМ350 // Технологии инженерных и информационных систем. 2017. В 1. С. 14-45.
22. Власов A-И., Ганев Ю.М., Карпунин A.A. Системный анализ "Бережливого производства" инструментами визуального моделирования // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2015. В 4 (160). С. 19-24.
23. Власов A-И., Ганев Ю.М., Карпунин A.A. Картирование потока создания ценностей в концепции "Бережливого производства" // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2016. В 2 (162). С. 23-27.
Гришин М.В., Зелякова Т.И., Рубан С.О.
Филиала 46 Центрального научно-исследовательского института Министерства обороны Российской Федерации, Москва, Россия
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛАГОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ КОМПАУНДОВ МАРОК КЭН-1, КЭН-1С, КЭН-2, КЭН-2М, КЭН-3, КЭН-3С, КЭН-4, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ЗАЩИТЫ АЛЮМИНИЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ МИКРОСХЕМ
Приведены результаты экспериментальных исследований влагозащитных характеристик компаундов марок КЭН-1, КЭН-1С, КЭН-2, КЭН-2М, КЭН-3, КЭН-3С, КЭН-4*:равновесное влагопоглощение, коэффициент влагопроницаемости, содержание примесных ионов.
Исследована кинетика сорбции влаги защитными покрытиями (компаундами), характер распределения ее в полимерах. Полученные данные позволят оценить целесообразность использования полимерных защитных покрытий (компаундов) при производстве микросхем для аппаратуры вооружения и военной техники.
Ключевые слова:
ЗЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, КРЕМНИЙОРтНИЧЕСКИЕ КОМПAУНДЫ, AЛЮМИНИЕВAЯ МЕТAЛЛИЗAЦИЯ МИКРОСХЕМ, РAВНОВЕС-НОЕ ВЛAГОПОГЛОЩЕНИЕ, КОЭФФИЦИЕНТ ВЛAГОПРОНИЦAЕМОСТИ, ПРИМЕСНЫЕ ИОНЫ
В настоящее время для защиты кристаллов при Примечание:
производстве микросхем военного назначения при- - компаунды марки КЭН-1(1С,2, 2М, 3, 3С, 4)*
меняются более 3 0-ти кремнийорганических ком- - кремнийорганические эластичные низкотемпера-паундов различной рецептуры. Известно, что крем- турного отверждения, на основе каучука СКТН-Б и нийорганические компаунды обладают высокой тер- отверждающиеся по реакции дегидроконденсации с мостойкостью, хорошими электрофизическими ха- выделением воды;
рактеристиками, однако имеют сравнительно высо- - цифры - 1,2,3,4 - номер рецептуры; М - мо-
кую влагопроницаемость [1,2]. дифицированный; С - стабилизированный.
