Правила конструирования печатных плат

1 При проектировании печатной платы (ПП) необходимо руководствоваться требованиями российских стандартов по конструированию ПП (в частности, ГОСТ Р 53429-2009) и стандартов Международной электротехнической комиссии (МЭК) по конструированию печатных плат с применением технологии поверхностного монтажа.

2 Наличие защитной маски на ПП обязательно.

3 Величина деформации печатной платы не должна превышать требований ГОСТ 23752-79.

4 ПП должна иметь не менее двух фиксирующих отверстий диаметром 2,7^+0,06мм или 3,0^+0,06 мм на расстоянии 5,0-5,5 мм от края длинной стороны и не более 20 мм от края коротких сторон для перемещения платы для позиционирования. Фиксирующие отверстия ПП, необходимые для закрепления на координатном или рабочем столе технологического оборудования, выполняют по квалитету Н9. При автоматизированной сборке предельные отклонения на межцентровые расстояния между фиксирующими отверстиями устанавливают не более ±0,05 мм, между фиксирующими отверстиями и контактными площадками - не более ±0,1 мм. При этом вокруг этих отверстий должна оставаться свободная зона диаметром не менее 10 мм.

5 Оптимальный зазор между выводом компонента и стенкой монтажного отверстия должен составлять 0,2...0,3 мм. При меньшем расстоянии припой плохо затекает в отверстие, появляются пустоты и непропаи. С увеличением зазора возрастает расход припоя, появляются усадочные раковины в припое. При выборе диаметра отверстий необходимо учитывать толщину слоев основной металлизаций и финишного покрытия.

6 Предельные отклонений расстояний между центрами монтажных отверстий и базового отверстия для автоматизированной сборки без применения средств технического зрения не должны превышать ±0,05 мм, между осями контактных площадок ±0,1 мм.

7 На печатной плате с SMD-компонентами необходимо иметь реперные знаки, выполняющие роль элементов бази рования при установке компонентов. В качестве реперного знака рекомендуется кружок металлизации с покрытием, диаметром 1,0... 1,6 мм, вокруг которого должно быть свободное от маски кольцо шириной не менее 0,3 мм. Вокруг реперного знака на расстоянии трех его радиусов не должно быть элементов проводящего рисунка. Необходимо по 2 реперных знака на каждом краю платы в удаленных углах (например: левый нижний, правый верхний) на расстоянии не менее 5 мм от края ПП (Рис.1 ).

8 Платы малого размера рекомендуется выполнять в виде мультиплицированной заготовки. Мультиплицированная заготовка должна иметь базовые отверстия на технологическом поле. Каждая из плат в мультиплицированной заготовке должна иметь свои реперные знаки. Габариты мультиплицированных заготовок (панелей) рекомендуется выбирать из стандартного ряда размеров.

9 При размещении SMD-компонентов на ПП следует руководствоваться требованиями ОСТ 4.42.02-93, п.6. Рекомендуется при установке компонентов в chip-корпусах на стороне пайки располагать их продольной осью вдоль короткой стороны ПП (направлению пайки волной), SMD-компоненты в корпусах типа SO целесообразно располагать стороной корпуса с выводами вдоль направления пайки волной; за последней парой выводов должны быть сделаны вспомогательные (незадействованные) площадки для предотвращения образования спаек.

9.1 Минимальное расстояние между контактными площадками соседних SMD-компонентов должно быть не менее 1 мм, а между SMD-компонентами и компонентами со штырьковыми выводами — не менее 1,5 мм.

9.2 Переходные отверстия должны находится вне контактных площадок для монтажа SMD-компонентов. Переходные отверстия диаметром 0,6 мм с открытыми контактными площадками должны находится вне проекции корпусов типа CHIP, MELF, SOT, SOIC на печатной плате.

9.3 Все бескорпусные и компоненты с планарными выводами (SMD) следует размещать на одной стороне платы. В случае если это условие выполнить невозможно, следует разделить компоненты на «легкие» и «тяжелые» и размещать их на разных сторонах платы. Например, пассивные компоненты, разместить на одной стороне, микросхемы на другой;

9.4 Зазоры между компонентами должны быть не менее указанных на Рис. 2.

10 Не рекомендуется располагать рядом компоненты, значительно отличающиеся по высоте, т.к. при пайке оплавлением паяльной пасты «тепловая» тень от больших компонентов ухудшает пайку низких компонентов.

11 Chip-компоненты рекомендуется располагать не ближе 3 мм от выводов корпусов микросхем.

12 Под компонентами в неизолированных корпусах, устанавливаемых вплотную на плату, не должно быть проводников, так как применение изолирующих прокладок усложняет и удорожает процесс сборки.

13 Каждый типоразмер SMD-компонента должен иметь свою конфигурацию монтажного поля и форму контактных площадок (целесообразно руководствоваться стандартами IPC-CM-770E «Surface Mount Design and Land Pattern Standard» и IPC-7351 «Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standards» или соответствующими им стандартами МЭК. Для обеспечения возможности использования микросхем в различных корпусах рекомендуется использование универсального монтажного поля с возможностью замены корпусов от различных поставщиков компонентов.

14 Контактные площадки вокруг отверстий и площадки для SMD-компонентов должны соединяться между собой проводником номинальной ширины, перекрытым защитной маской. Слияние этих площадок недопустимо (Рис. 3).

15 Размещение контактных площадок непосредственно в полигонах недопустимо (большой теплоотвод делает невозможной качественную пайку), они должны быть отделены от полигона тепловыми зазорами и электрически соединяться с ним только проводником номинальной ширины. Выполнение полигонов в виде сетки уменьшает теплоемкость и коробление платы во время пайки. В случае прохождения монтажного отверстия сквозь несколько полигонов в разных слоях необходимо делать в них увеличенные тепловые зазоры для уменьшения теплоемкости, в противном случае при пайке охлаждающийся припой не протекает сквозь металлизированное отверстие со стороны пайки на противоположную сторону.

16 Расстояние между контактной площадкой монтажного отверстия и контактной площадкой для chip или MELF-компонентов, перекрытое паяльной маской, должно быть не менее половины высоты компонента, но более 0,5 мм.

17 Минимальная ширина контактной площадки при шаге выводов 0,5 мм должна составлять 0,25 мм.

18 Рекомендуется нанесение защитной маски между контактными площадками под компоненты с шагом выводов до 0,5 мм включительно.

19 Незадействованные контактные площадки для микросхем в корпусах типа QFP, PLCC, SO рекомендуется снабжать аппендиксом в виде короткого печатного проводника, заходящим под защитную маску. Это позволяет предотвращать отслоение площадок при ремонте.

20 Соединения между соседними выводами микросхем должны выполняться за пределами монтажного поля, так как после пайки перемычка между соседними площадками может выглядеть как спайка. Соединительный проводник должен подходить соосно к торцу контактной площадки и шириной не более ширины площадки (Рис. 4).

21 Для точной установки BGA-компонентов и микросхем с шагом менее 0,625 мм рекомендуется делать два локальных реперных знака, расположенных по диагонали на периметре монтажного поля микросхем.

22 Для обеспечения качества пайки chip-компонентов в корпусах типа А, Е и т.п. (танталовые конденсаторы, диоды, резисторы) волной припоя (сторона пайки) рекомендуется удлинение контактной площадки за пределы корпуса (с торцов) на 0,2 мм больше высоты компонента (Рис. 5).

23 Рекомендуется при разработке проекта электронного модуля максимально заменять выводные компоненты на SMD-компоненты.

24 Следует сокращать количество типономиналов корпусов компонентов в пределах одного проекта платы и изделия в целом, так как это сокращает время на подготовку производства и сборку. Рекомендуется заменять уникальные типономиналы компонентов на 2...3 обычных, соединяя их параллельно или последовательно.

25 Нежелательно без необходимости применять chip-компоненты в корпусах размером менее 0805 на печатных платах с оплавлением или HASL-покрытием.

26 Не рекомендуется применение в пределах одной платы разных типоразмеров корпусов для одного номинала, так как это усложняет процесс монтажа и увеличивает вероятность ошибки (например, если на плате имеется значительное количество компонентов chip-резисторов с 5% отклонением от номинала в 1206-корпусах при наличии таких же компонентов в 0805-корпу¬сах следует заменить корпус 0805 на 1206).

27 Все компоненты одного типономинала рекомендуемся располагать на одной стороне ПП.

28 При смешанном монтаже установка выводных компонентов должна соответствовать ОСТ 45.010.030-92 «Электронные модули первого уровня РЭС. Установка изделий электронной техники на печатные платы. Технические требования. Конструкции и размеры».

29 При установке на ПП разъемов типа Press-Fit (Z-pack, Hard metric) необходимо предусмотреть на стороне выводов зону для опоры инструмента, свободную от компонентов и паек.

30 Если платы имеют небольшие размеры, целесообразно заказывать мультиплицированную заготовку, спроектированную по нормам панели для группового монтажа (см. п.8). Тогда для отделения одной платы от другой необходимо предусмотреть фрезеровку их контура с легко переламываемыми перемычками или скрайбирование (надрезы) контура для удобства последующего отделения плат от панели, например, роликовыми ножницами. Можно предусмотреть и то и другое, если контуры плат отличаются от прямых линий.

Рекомендации при проектировании контактных площадок под BGA

При проектировании контактных площадок под компоненты в корпусе BGA мы настоятельно рекомендуем внимательно ознакомиться и следовать рекомендациям разработчиков микросхем. Среди общих моментов, касающихся контактных площадок таких компонентов, можно выделить следующее. Контактные площадки BGA, также как и других компонентов, должны быть изолированы термобарьерами от полигонов питания и «земли». Переходные отверстия должны быть отделены проводником и закрыты маской. Различают два типа контактных площадок под BGA в зависимости от вскрытия вокруг них паяльной маски: NSMD — Non Solder Mask Defined — не определенные вскрытием от паяльной маски, и SMD — Solder Mask Defined, то есть определенные паяльной маской. В первом случае площадка и небольшая область вокруг нее полностью вскрыты от маски (Рис. 6а). В о втором случае вскрытие от маски выполняется с небольшим покрытием контактной площадки маской (Рис. 6б).

Первый вариант обеспечивает большую прочность паяного соединения, за счет большей площади контакта и контакта с боковыми сторонами контактной площадки, а также лучшее центрирование компонента и является более гибким и технологичным, как при производстве печатных плат, так и при монтаже. Преимуществом второго варианта является повышение прочности соединения самой контактной площадки и диэлектрика печатной платы. Его применение оправдано, если в процессе дальнейшей сборки, тестирования или эксплуатации плата может подвергаться значительным изгибам или другому физическому напряжению, а также при эксплуатации при высоких перепадах температуры или если изделие будет проходить очень жесткие температурные испытания. Если в документах производителя нет специальных указаний на тип площадки, рекомендуется применять NSMD тип. Особенностью микросхем BGA является то, что их выводы скрыты под корпусом, что затрудняет проверку качества их монтажа. Основным средством инспекции паяных соединений таких микросхем является рентгеноскопический контроль. Но и в этом случае некоторые дефекты, даже такие как непропай отдельных выводов бывает сложно обнаружить. Для того, чтобы повысить эффективность контроля пайки этих микросхем рекомендуется придавать контактным площадкам специальную форму (Рис.7). При использовании таких контактных площадок паяное соединение принимает характерную форму, что значительно повышает эффективность проверки, особенно в автоматическом режиме.