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)
Если в печатной плате переходное отверстие проходит через слой земли, то в полигоне земли выполняется вырез. Между переходным отверстием и слоем земли возникает паразитная емкость, которую рассчитывают по следующей формуле:
(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.)