Разработка посадочных мест электронных компонентов. Часть 1

Автор А.Г. Аветисов

Введение

Одним из ключевых этапов при проектировании печатных плат является разработка библиотеки электронных компонентов, которая включает в себя разработку условно графических обозначений, посадочных мест, 3D-моделей, моделей для моделирования прохождения электрических сигналов (Spice-модели, PSpice-модели). В настоящей статье будут рассмотрены вопросы разработки посадочных мест микросхемы типоразмера SOIC - компонента с выводами в виде формы "крыла чайки".

Дадим определение термину посадочное место.

Посадочное место электронного компонента (footprint, land pattern) - это комбинация контактных площадок, используемых для монтажа, соединения и контроля отдельных компонентов. Посадочное место включает в себя также различную атрибутивную информацию и сведения для оформления графической и текстовой информации (см. рисунок 1 - слева 3D вид компонента, справа его посадочное место).

При разработке посадочных мест электронных компонентов необходимо руководствоваться требованиями нормативных документов: это могут быть требования ГОСТ, стандартов IPC, других нормативных документов, применяемых на предприятиях или в частных компаниях. Следует отметить следующие нормативные документы: РД 50-708-91, ГОСТ Р МЭК 61188-5-1-2012, ГОСТ Р МЭК 61188-5-2-2013, ГОСТ Р МЭК 61188-5-3-2013, ГОСТ Р МЭК 61188-5-4-2013, ГОСТ Р МЭК 61188-5-5-2013, ГОСТ Р МЭК 61188-5-6-2013, ГОСТ Р МЭК 61188-5-8-2013, IPC-SM-782A.

Анализ указанных выше нормативных документов позволил выявить следующие конструктивные параметры, требующие расчета при разработке посадочных мест: Z - длина посадочного места, G – расстояние между контактными площадками посадочного места, Х – ширина посадочного места, L – длина вывода компонента, B – ширина вывода компонента, H – длина компонента, S – расстояние между торцевыми контактами компонента, J – желательный размер галтели припоя или выступа контактной площадки, J_t – галтель припоя или выступ контактной площадки на носке, J_h галтель припоя или выступ контактной площадки на пятке, J_S – галтель припоя или выступ контактной площадки сбоку, С – допуски компонента, C_L – допуск на длину компонента, C_S – допуск на расстояние между выводами компонента, C_W – допуск на ширину компонента, F – технологические допуски на печатную плату (геометрия посадочного места), Р – допуск установки компонента (точность оборудования установки). – см. рисунки 2-4.

Параметры Z, G, и Х – это основные параметры, которые необходимы для создания посадочного места. Т.к. для их нахождения необходимо учитывать допуски (F, P, C), берется среднеквадратичное значение допусков.

Кроме того, при разработке посадочного места помимо описанных выше параметров для достижения наилучшего паяного соединения необходимо учитывать при разработке: паяльную маску, трафарет паяльной пасты, расстояние между соседними компонентами, расстояние между основанием компонента и поверхностью печатной платы (если необходимо), запретные области (если необходимо), соответствующие правила при применении клея.

Пример расчета посадочного места

В качестве примера рассмотрим расчет посадочного места для микросхемы в виде выводов в форме "крыла чайки" - типоразмер SOIC восемь выводов (см. рисунок 4).

Для реализации посадочного места для приведенной микросхемы, мы должны рассчитать в первую очередь длину посадочного места Z, расстояние между контактными площадками G.

Для того чтобы рассчитать наименьшее расстояние между контактными площадками Gmin необходимо воспользоваться следующими формулами:

G_min=S_max-2J_h-√(C²+F²+P²),

Максимальное расстояние между торцевыми контактами компонента S_max рассчитывают по формуле:

S_max=S_min+S_tol,

Среднеквадратичное значение расстояния между торцевыми контактами компонента S_tol рассчитывают по формуле:

S_tol=√(H_tol²+2(H_tol)²).

Рассчитаем среднеквадратичное значение длины компонента и длины вывода компонента:

H_tol=H_max-H_min=6.2-5.8=0.4 мм,

L_tol=L_max-L_min1.27-0.4=0.87 мм.

Далее рассчитаем минимальное значение расстояния между торцевыми контактами компонента:

S_min=H_min+2L_max=5.8+2(1.27)=3.26 мм

Тогда среднеквадратичное значение расстояния между торцевыми контактами

S_tol=√(0.4²+2(0.87)²)=1.29 мм,

а максимальное расстояние между торцевыми контактами компонента

S_max=3.26+1.29=4.55мм.

Теперь мы можем рассчитать наименьшее расстояние между контактными площадками Gmin , принимая во внимание, что допуск компонента С равен S_tol, конечный изгиб на пятке J равен 0.5 мм, суммарный технологический допуск F и суммарный допуск монтажного оборудования равны 0.1 мм:

G_min=4.55-2(0.45)-√( (1.29)²+(0.1)²+(0.1)²)=2.35 мм.

Далее нам необходимо рассчитать максимальные расстояние между контактными площадками (длина посадочного места Z_max)

Z_max=H_min-2J_t-√(C_L²+F²+P²).

Для расчета нам потребуется определить значения допусков для компонента и значение галтели припоя или выступа контактной площадки на носке. Как правило значения допусков зависят от уровня точности изделия.

Уровень 1: Максимум

Для изделий, имеющих малую плотность монтажа компонентов, были разработаны максимальные размеры посадочного места, чтобы использовать пайку волной или оплавлением безвыводных чип-компонентов и компонентов с выводами в форме "крыла чайки". Геометрия, предлагаемая для этих компонентов, так же как и для корпусов кристаллоносителя с контактами в выемках и набора компонентов с J-формой выводов, может обеспечить более широкие возможности для процессов пайки оплавлением.

Уровень 2: Средний

Для изделий с умеренным уровнем плотности размещения компонентов рассматривается использование усредненной геометрии посадочного места. Усредненные посадочные места, представленные для всех наборов компонентов, обеспечат надежный контакт припоя для процессов пайки оплавлением и рекомендуются для пайки волной или пайки оплавлением безвыводного кристалла и компонентов с выводами типа "крыло чайки".

Уровень 3: Минимум

При высокой плотности размещения компонентов, типичной для портативного и переносного изделия, допускается рассматривать минимальные размеры геометрии посадочного места. Выбор минимальной геометрии посадочного места, возможно, не является подходящим для всех категорий использования изделия.

Так для первого уровня принимаем значение J_t =0.55 мм, для J_h =0.45 мм, J_s =0.05 мм, для второго уровня - J_t =0.35 мм, для J_h =0.35 мм, J_s =0.03 мм, для третьего уровня J_t =0.15 мм, для J_h =0.25 мм, J_s =0.01 мм.

Допуск на длину компонента равен H_tol, таким образом

Z_max=5.8+2(0.55)+√(0.4²+0.1²+0.1²)=7.3 мм.

Следовательно, можно рассчитать и максимальную длину контактной площадки для первого уровня (в связи с тем, что в расчетах мы использовали значение J_t для первого уровня плотности монтажа). Следует отметить, что мы получили значение G_min=2,35 меньше чем значение максимальной длины корпуса компонента (E_max = 4 мм), т.е. по расчетам у нас контактная площадка заходит по корпус. В таком случае нам для расчета длины контактной площадки X_L можно воспользоваться значением E_max вместо G_min (так как это минимальное значение, поэтому его можно увеличить для получения оптимальной длины контактной площадки)

X_L=(Z_max-E_max)/2=(7.3-4)/2=1.65 мм.

Далее нам необходимо рассчитать ширину контактной площадки X_w

X_w=B_min+2J_s+√(C_w²+F²+P²),

где C_w=B_max-B_min=0.49-0.35=0.14 мм (где B_max и B_min максимальное и минимальное значение ширины вывода компонента согласно рисунку 4), таким образом

X_w=0.35+2(0.05)+√(0.14²+0.1²+0.1²).

Таким образом мы получили размеры контактной площадки для первого уровня плотности монтажа – 1.55х0.65 мм.

Также мы можем определить расстояние между контактными площадками S_кп

S_кп=Z_max- X_L=7.3-1.65=5.65 мм.

У нас есть все необходимые размеры и данные для разработки посадочного места микросхемы типоразмера SOIC c восемью выводами.

Требования к графической части посадочного места

Теперь рассмотрим особенности разработки посадочного места с применением средств автоматизированного проектирования. Для разработки посадочного места необходимо определить слои для установки контактных площадок, атрибутивной и графической информации. Как правило, контактные площадки располагаются на верхнем или нижнем проводящем слое (TOP или BOTTOM); графическое отображение корпуса компонента и позиционное обозначение, используемое для выпуска конструкторской документации на слое TOP ASSY или BOT ASSY; графическое отображение корпуса компонента и позиционное обозначение, используемое для нанесения шелкографии (маркировка краской на печатной плате, как правило, белого цвета) на слое TOP SILK или BOT SILK; графика защитной паяльной маски на верхней стороне печатной платы TOP MASK; графика защитной паяльной маски на нижней стороне печатной платы BOT MASK; графика паяльной маски на верхней стороне печатной платы TOP PASTE; графика паяльной маски на нижней стороне печатной платы BOT PASTE.

При реализации контура на слое шелкографии используют, как правило, толщину линии 0.2 мм. Ширину и высоту прямоугольника, условно отображающего контур корпуса компонента, выполняют с учетом следующего:

1. условное изображение контура может по размерам и форме не совпадать с реальными размерами и формой контура и корпуса компонента;
2. графические примитивы, располагающиеся на слое шелкографии не должны располагаться поверх контактных площадок и других графических примитивов на проводящем слое;
3. расстояние между двумя раздельными графическими компонентами на слое шелкографии должно быть не менее 1 мм;
4. расстояние между графическим примитивом на слое шелкографии и графическим примитивом на проводящем слое должно быть, по возможности, не менее 1 мм. Допускается уменьшение значения с 1 мм до 0,3 мм.

Кроме того, на слое шелкографии бывает необходимо указать расположение первого вывода в виде текста "1" вне условного контура корпуса компонента напротив первой контактной площадки. При этом расстояние до условного контура корпуса компонента должно быть равным 1 мм, если контактная площадка располагается вне условного контура корпуса компонента, то расстояние до края контактной площадки должно быть равным 0,5 мм. При необходимости могут быть указаны номера других контактных площадок. Допускается кроме текста «1» применять символ в виде окружности радиусом 0,2 мм, располагаемую рядом с первой контактной площадкой с соблюдением всех описанных выше правил для размещения примитивов.

Также необходимо реализовать графику компонента на слое TOP ASSY или BOT ASSY, для дальнейшего её применения при оформлении конструкторской документации. Графические примитивы, располагающиеся на слое TOP ASSY или BOT ASSY не должны располагаться поверх контактных площадок и других графических примитивов на проводящем слое. Для разрабатываемых посадочных мест, требующих маркировки первой контактной площадки необходимо нарисовать на графических слоях окружность радиусом 0,2 мм и шириной линии 0,4 мм. При этом окружность должна располагаться внутри условного контура напротив первой контактной площадки или в углу корпуса компонента.

Кроме того, необходимо задать точку привязки (RefPoint) к центру первой контактной площадки или центру компонента, т.е. при дальнейшем размещении компонента курсор мыши будет привязан к точке привязке.

Реализация посадочного места микросхемы SOIC c восемью выводами по описанной выше методике приведена на рисунке 5.

Заключение

В данной статье приведен пример расчета посадочного места микросхемы типоразмера SOIC. Описанная методика не является эталоном и приведена для общего ознакомления с одним из ответственных этапов при сквозном автоматизированном проектировании печатных плат радиоэлектронных средств – разработка библиотеки компонентов. Более подробно ознакомится с методами разработки посадочных мест различных типоразмеров компонентов вы можете из списка рекомендованных источников, приведенных ниже.

Список рекомендованных источников

1. ГОСТ Р МЭК 61188-5-1-2012. Печатные платы и печатные узлы. Проектирование и применение. Часть 5-1. Анализ соединений (посадочные места для монтажа компонентов). Общие требования. Введ. с 01.07.2013. – М.: Стандартинформ, 2015. – 61 с.
2. ГОСТ Р МЭК 61188-5-2-2013. Печатные платы и печатные узлы. Проектирование и применение. Часть 5-2. Общие требования. Анализ соединений (посадочные места для монтажа компонентов). Дискретные компоненты. Введ. с 01.03.2015. – М.: Стандартинформ, 2014. – 27 с.
3. ГОСТ Р МЭК 61188-5-3-2013. Печатные платы и печатные узлы. Проектирование и применение. Часть 5-3. Общие требования. Анализ соединений (посадочные места для монтажа компонентов). Компоненты с J-образными выводами с двух сторон. Введ. с 01.03.2015. – М.: Стандартинформ, 2014. – 16 с.
4. ГОСТ Р МЭК 61188-5-4-2013. Печатные платы и печатные узлы. Проектирование и применение. Часть 5-4. Общие требования. Анализ соединений (посадочные места для монтажа компонентов). Компоненты с выводами в виде "крыла чайки" с двух сторон. Введ. с 01.03.2015. – М.: Стандартинформ, 2014. – 42 с.
5. ГОСТ Р МЭК 61188-5-5-2013. Печатные платы и печатные узлы. Проектирование и применение. Часть 5-5. Общие требования. Анализ соединений (посадочные места для монтажа компонентов). Компоненты с выводами в виде "крыла чайки" с четырех сторон. Введ. с 01.03.2015. – М.: Стандартинформ, 2014. – 41 с.
6. ГОСТ Р МЭК 61188-5-6-2013. Печатные платы и печатные узлы. Проектирование и применение. Часть 5-6. Общие требования. Анализ соединений (посадочные места для монтажа компонентов). Компоненты с J-образными выводами с четырех сторон. Введ. с 01.03.2015. – М.: Стандартинформ, 2014. – 15 с.
7. ГОСТ Р МЭК 61188-5-8-2013. Печатные платы и печатные узлы. Проектирование и применение. Часть 5-8. Общие требования. Анализ соединений (посадочные места для монтажа компонентов). Компоненты с матрицей контактов (BGA, FBGA, CGA, LGA). Введ. с 01.03.2015. – М.: Стандартинформ, 2014. – 23 с.
8. РД 50-708-91. Платы печатные. Требования к конструированию. Введ. с 01.07.1992.
9. IPC-SM-782A. Surface Mount Design and Land Pattern Standard. December 1999. – 228 p.