Параметры переходных отверстий печатных плат. Методика расчета.

Хасиятуллов Марат Габделахатович – аспирант Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П.Королева

Аннотация: В статье отражены методы расчета параметров переходных отверстий печатных плат в зависимости от производственных возможностей и класса точности печатных плат, условий эксплуатации и электрических показателей, а также рассмотрено влияние параметров переходных отверстий на характеристики схемы.

Ключевые слова: печатная плата, переходное отверстие, параметры, токовая нагрузка, перегрев, электрическое сопротивление, паразитная реактивность.

Для обеспечения надежного функционирования печатных плат необходимо на предварительном этапе подготовки к проектированию печатной платы выполнять расчет параметров конструктивных элементов печатной платы, в частности переходных отверстий.

Переходное отверстие печатной платы представляет собой отверстие в печатной плате с проводниковым материалом на его стенке, предназначенное для электрического соединения проводящих рисунков печатной платы, находящихся на разных проводящих слоях печатной платы.

В схемах с низким уровнем силы тока, параметры переходных отверстий обусловлены возможностями производства и классом точности печатной платы. При этом наименьший номинальный диаметр D контактной площадки рассчитывают по формуле:

(1)

где d - диаметр отверстия, мм;

ΔdBО - верхнее предельное отклонение диаметра отверстия, мм;

ΔdТР - значение подтравливания диэлектрика в отверстии, равное 0,03 мм для МПП и нулю для ОПП и ДПП;

b - гарантийный поясок контактной площадки, мм;

ΔtBО - верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки, мм;

ΔtHО - нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки, мм;

ТD - позиционный допуск расположения контактной площадки, мм;

Td - позиционный допуск расположения отверстия, мм.

Значения параметров конструктивных элементов печатной платы, необходимые для расчета, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры конструктивных элементов печатной платы.

Класс точности					Примечание
1	2	3	4	5
Предельное отклонение диаметра отверстия, мм					Диаметр отверстия, мм
-	-	-	-0,03	-0,03	≤ 0,3
+0,05	+ 0,05	+0	+0	+ 0	> 0,3 ≤ 1,0
+0,10	+0,10	+0,05	+0,05	+0,05	> 1,0
Предельные отклонения размеров контактных площадок, мм
±0,15	±0,10	±0,05	±0,03	-0,02
Минимальное значение гарантийного пояска, мм
0,3	0,2	0,1	0,05	0,025
Значение позиционного допуска расположения осей отверстий, мм					Размер печатной платы по большей стороне, мм
0,20	0,15	0,08	0,05	0,05	< 180
0,25	0,20	0,10	0,08	0,08	> 180 ≤ 360
0,30	0,25	0,15	0,10	0,10	>360
Значение позиционного допуска расположения центров контактных площадок, мм					Размер печатной платы по большей стороне, мм
0,35	0,25	0,15	0,10	0,05	< 180
0,40	0,30	0,20	0,15	0,08	> 180 ≤ 360
0,45	0,35	0,25	0,20	0,15	>360

 

В схемах с высоким уровнем силы тока, во избежание опасного перегрева, при выборе параметров переходных отверстий необходимо учитывать допустимую токовую нагрузку материала металлизации отверстия. При этом переходное отверстие можно представить в виде участка печатного проводника из гальванической меди, шириной 2πd, толщиной не менее 25 мкм для многослойных печатных плат и не менее 20 мкм для двусторонних печатных плат, и длиной, равной толщине печатной платы. Необходимо учитывать, что, согласно общих технических условий на печатные платы, неметаллизированный участок в отверстии может достигать по окружности 25% ее длины, а вдоль отверстия – до 10% толщины печатной платы.

Рисунок 1. Переходное отверстие печатной платы.

Минимальный диаметр переходного отверстия можно рассчитать по формуле:

(2)

где I – сила тока в цепи, А;

h – толщина гальванической меди, мм;

А – допустимая токовая нагрузка, А/мм2.

Допустимую токовую нагрузку на элементы проводящего рисунка в зависимости от допустимого превышения температуры проводника относительно температуры окружающей среды выбирают для гальванической меди от 60 до 100 А/мм2 .

В технически обоснованных случаях, в цепях с высоким уровнем силы тока, можно выполнять дублирование переходных отверстий с уменьшением их диаметра, при этом суммарная величина диаметров должно обеспечивать исключение опасного перегрева.

Электрическое сопротивление переходных отверстий является незначительным, но при расчете электрического сопротивления цепей схемы печатной платы с большим количеством переходных отверстий малого диаметра, возникает необходимость расчета сопротивление переходных отверстий. Сопротивление каждого отверстия рассчитывается по формуле:

(3)

где p – удельное сопротивление гальванической меди, равное ;

hПП – толщина печатной платы, мм;

∆hПП – предельное отклонение толщины печатной платы, мм.

Номинальная толщина листов фольгированных материалов и предельных отклонений от нее для материала 1 и 2 классов указаны в таблице 2. Если фольгированные материалы изготавливают других номинальных толщин в пределах 0,5-3,0 мм, то допуск на толщину устанавливается по ближайшей большей толщине.

Таблица 2. Толщина и предельные отклонения печатной платы.

Номинальная толщина, мм	Предельные отклонения толщины, мм
	Гетинакс всех марок		Стеклотекстолит всех марок
	1 класс	2 класс	1 класс	2 класс
0,5	−	−	±0,07	±0,10
0,8	−	−	±0,09	±0,15
1,0	±0,11	±0,11	±0,11	±0,17
1,5	±0,14	±0,14	±0,14	±0,20
2,0	±0,15	±0,18	±0,15	±0,23
2,5	±0,18	±0,20	±0,18	±0,25
3,0	±0,2	±0,25	±0,20	±0,30

(4)

(5)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость материала печатной платы;
D1 – диаметр контактной площадки вокруг переходного отверстия, мм;
D2 – диаметр выреза в слое земли, мм.

 

Списко литературы:

1. ГОСТ Р 53429-2009 Платы печатные. Основные параметры конструкции.

2. ГОСТ 23752-79 Платы печатные. Общие технические условия.

3. ГОСТ 10316-78 Гетинакс и стеклотекстолит фольгированные. Технические условия.

4. John Ardizonni. A practical guide to high-speed printed-circuit-board layout. (Джон Ардизонни. Практическое руководство по разработке печатных плат для высокочастотных схем.)