В большинстве типов радиоэлектронной аппаратуры размеры платы диктуются требованиями размещения ее в заданном отсеке или шкафу, и у конструктора печатных плат остается малая свобода выбора. Отсутствие подобных ограничений абсолютно меняет роль конструктора, когда, например, необходимо сконструировать печатный узел с высокой плотностью монтажа с применением многовыводных компонентов. В этих случаях инженер-конструктор сталкивается с проблемой выбора оптимальных размеров печатной платы. Такой выбор связан с учетом большого числа факторов и заканчивается вариантом, являющимся компромиссом, учитывающим настоящую или перспективную политику предприятия в области разработки, технологии и обслуживания аппаратуры после ее поставки заказчику. Ниже будут приведены лишь некоторые факторы, которые влияют на размеры печатной платы.
1 Системные факторы
Если трактовать общую схему как систему, то целесообразно расчленять эту систему на логические или функциональные подсистемы. Для возможности организации эффективных методов контроля подсистемы должны быть размещены на плате как законченные единицы. Таким образом могут быть расположены на одной плате две или более подсистем, так или иначе связанных между собой. Требуемая площадь платы определяется размерами наиболее крупногабаритной подсистемы, причем решающим фактором обычно является число интегральных микросхем (ИС), входящих в эту подсистему. Подсистемы меньших размеров ври этом могут компоноваться рационально с учетом необходимых межсоединений на площади платы, примерно равной той, которая занята большей подсистемой, причем понятие «большая» или «меньшая» трактуется по числу ИС, входящих в данную подсистему. В зависимости от типа системы на плате может размещаться различное количество ИС.
Преимущество такой компоновки заключается в более простой и более эффективной процедуре контроля, поскольку каждая подсистема со всеми ее межсоединениями может быть проконтролирована как функциональная подсистема. Когда каждая подсистема располагается на отдельной небольшой плате, это означает, что каждая подсистема может контролироваться только отдельно. Из этого следует, что любое повреждение, обусловленное непредвиденным сочетанием отдельных плат или паразитной связью в межсоединениях, можно будет обнаружить не раньше, чем все подсистемы будут соединены в аппаратуре. Иные факторы, однако, препятствуют применению очень больших печатных плат. С увеличением числа схем, размещаемых на плате, площадь платы, занимаемая их межсоединениями, растет значительна быстрее роста числа схем. Как следствие резко падает степень использования площади платы. Каждый квалифицированный конструктор печатных плат сталкивается с проблемой укорочения межсоединений путем рациональной группировки схем на плате. Он стремится также располагать схемы с внешними соединениями как можно ближе к разъему платы. Однако часть схемы приходится из-за недостатка места располагать на дальнем конце платы, а в этом случае большая часть платы может оказаться неиспользованной из-за размещения внешних соединений.
Хорошо спланированная методика контроля больших печатных плат обычно требует, чтобы схему, смонтированную на плате, можно было дробить на отдельные логические или функциональные подсистемы с помощью каких-либо размыкающих цепь устройств, таких как миниатюрные перемычки. В этом случае контроль и выявление дефектов каждой подсистемы производятся индивидуально. Такие измерения, однако, требуют дополнительного места на плате. Следует заметить, что в некоторых системах автоматического контроля при обнаружении первого дефекта процесс контроля прекращается. После того как дефект устранен, процедура контроля возобновляется с самого начала, контролируются только самые основные параметры до достижения конечной позиции программы контроля. Такая методика контроля объясняется невозможностью гарантировать, что внесенные коррективы сделаны верно или что устранение дефекта не будет иметь побочного влияния на параметры системы, уже исправленной и проконтролированной. Чем больше печатная плата, тем больше вероятность возникновения дефекта, что в свою очередь стимулирует большое число повторных стартов в программе контроля. Этот недостаток можно преодолеть, раздробив схему на несколько независимых схем. Это приведет к физическому дроблению одного узла на большой плате на несколько отдельных узлов на малых платах, но это же приводит к существенному увеличению общего времени контроля за счет времени, необходимого для соединения и разъединения плат. С точки зрения контроля наиболее рациональным является построение системы на плате средних размеров и возможность выделения отдельных электронных схем на плате при их индивидуальном контроле. Сложность очень больших плат ограничивает возможность внесения изменений в электрическую схему, что время от времени необходимо делать, особенно часто в связи с развитием системы. Если подсистема, требующая модификации, размещается на отдельной малой плате, все изменения коснутся только этой платы, но если подсистема является частью схемы, расположенной на большой плате, то скорее всего такая же модификация коснется переделки и смежных участков на плате. В экстремальных случаях модификация может потребовать полного перепроектирования печатной платы. В случаях конструирования очень больших печатных плат целесообразно предусматривать резервную площадь, соответствующую размещению дополнительно 5% заданного числа ИС. Независимо от принимаемых мер остается риск того, что изменения в электрической схеме очень большой печатной платы могут повлечь полное перепроектирование платы, а в редких случаях - всей аппаратуры.
Дробление большой платы и замена ее несколькими малыми платами облегчают обнаружение дефектов и их устранение, особенно в полевых условиях или тогда, когда ремонтом занимается неквалифицированный персонал. Очень часто практика обслуживания аппаратуры сводится к локализации дефектной платы, которая заменяется годной и возвращается к изготовителю для ремонта. В этом случае повышенная гибкость и эффективность использования аппаратуры определяются наличием запасных печатных узлов. Наконец, следует отметить, что деление системы на унифицированные функциональные узлы, размещаемые на отдельных платах, такие как цифроаналоговые преобразователи, микро-ЭВМ, делает возможным применение таких узлов в различной аппаратуре, разрабатывать и изготавливать их независимо от конкретной аппаратуры и поставлять их с запасом. Очевидно, что такой подход исключен для случаев реализации электрической схемы устройства на большой плате. Как было упомянуто ранее, множество факторов влияет на выбор оптимального размера платы. Если конструктор после продолжительных и трудных раздумий наконец получил приемлемые размеры платы, он очень часто вынужден стандартизировать получаемые размеры. Он должен, однако, всегда иметь в виду, что схемы постоянно усложняются. что обусловливает увеличение размеров плат. Это требование к размеру платы объясняется до некоторой степени тем, что постоянно разрабатываются новые ИС, число функций которых непрерывно растет. Тем не менее риск при стандартизации плат малых и средних размеров очевиден.
2 Конструктивные факторы
До настоящего момента рассматривалась проблема выбора размеров платы только с точки зрения чисто схемотехнических требований. В дальнейшем будут рассмотрены некоторые конструктивные параметры, такие как механическая прочность, охлаждение и электрические соединители.
Резонансная частота
Для плат малых размеров, например 100x150 мм, проблемы вибропрочности практически отсутствуют. Ситуация меняется при увеличении размеров платы, когда возрастает вероятность совпадения частоты собственного механического резонанса платы с какой-либо из частот диапазона механических воздействий на аппаратуру, возникающих как при ее транспортировке от изготовителя к заказчику, так и в процессе эксплуатации. Конструктор печатных плат должен иметь в виду, что элементы, смонтированные на плате, могут при этом испытывать значительно более высокие ускорения, чем аппаратура в целом. Увеличение ускорений зависит, кроме всего прочего, от соотношения между частотой внешних механических воздействий и резонансными частотами различных элементов, передающих эти механические воздействия к элементам на плате (стойка-шасси-плата-элемент). Недостаточно широко известно, что это увеличение может быть 5-10-кратным, что делает проблему достаточно серьезной. Для больших плат размерами 300x300 мм и более центральная часть платы может подвергаться относительно большим колебаниям, вызванным внешними механическими воздействиями. Если расстояния между платами невелики и отсутствуют изолирующие прокладки под элементами, при изгибе платы может произойти кратковременное короткое замыкание между неизолированным корпусом или выводом элемента платы и стороной пайки соседней платы. Одной из наиболее серьезных проблем, возникающих при больших резонансных колебаниях платы, является вероятность разрушения паяных соединений или выводов элементов вследствие усталости металла. Выводы элементов, смонитрованные в сквозные отверстия, изгибаются вперед и назад, особенно в тех случаях, когда они изогнуты под углом 90° к оси элемента. Незначительные насечки или надрезы, образовавшиеся при операции формовки выводов, могут инициировать разрушение вывода. Резонансная частота может быть сравнительно легко изменена с помощью упрочняющих элементов, таких как металлические уголки, или рассверливанием дополнительных монтажных отверстий, или установкой опорных штырей. Условия механического резонанса, естественно, могут быть теоретически рассчитаны. Результаты испытаний на воздействие вибрационных нагрузок на опытные образны аппаратуры являются для большинства случаев достаточно авторитетной информацией.
Охлаждение
Предположим, что 200 ИС смонтированы в объеме 1 дм3, а расстояние между платами 10 мм. Если средняя мощность рассеяния па одну ИС составляет 50 мВт, общее количество выделяемого тепла составит 10 Вт. Даже в случае меньшей плотности компоновки количество теплоты, которое необходимо отвести, так велико, что охлаждение путем естественной конвекции, радиации или теплопроводности является недостаточным. В этих случаях необходимо применение принудительного воздушного охлаждения, что требует встраивания в аппаратуру вентиляторов. Последние должны быть рассчитаны на создание потоков воздуха, достаточных для ограничения роста температуры заданными пределами. Важно обеспечить равномерное омывание аппаратуры воздушными потоками, что достигается, например, установкой специальных воздуховодов, а также достаточную скорость потока воздуха для поддержания относительно низкой температуры поверхности элементов со значительным тепловыделением. Чтобы исключить возможность попадания пыли в аппаратуру, в воздуховодах должны устанавливаться фильтры. Аппаратура должна быть электрически заблокирована, должна быть предусмотрена тепловая защита, отключающая аппаратуру от сети в случае, если её температура недопустимо растет. Рост температуры является фактором, ограничивающим допустимую плотность компоновки, что в свою очередь влияет на выбор размеров платы. Проблемы распределения теплоты следует анализировать в каждом конкретном случае конструирования, так как оптимального теплообмена нельзя достигнуть методом проб и ошибок. Окончательное исследование распределения теплоты в аппаратуре необходимо производить на макете, поскольку даже после полного теплового расчета остается вероятность существования локальных участков перегрева.
Соединители
Габариты разъема, естественно, зависят от числа внешних соединений с дайной схемой. Подходящий стандартный разъем может быть выбран либо при конструировании новой аппаратуры, либо при модернизации уже имеющейся конструкции. В этом случае в разъеме могут быть резервные неиспользуемые контакты. Для больших плат часто требуются разъемы с большим числом контактов, а для того чтобы обеспечить надежное сочленение контактов в цепях низкоуровневых сигналов, необходимо задавать контактное усилие 0,5-1,0 Н. Это приводит в экстремальных случаях к увеличению усилия сочленения до нескольких десятков ньютон, так что размеры разъема становятся ограничивающим фактором при выборе размеров платы. Из-за больших усилий сочленения процедура сочленения ответных частей разъема становится настолько трудной, что оператор не в состоянии ощутить момент завершения сочленения контактов, что приводит к поломке разъема. Выпускаются разъемы с нулевым усилием сочленения, но они дороги и имеют большие размеры.