Проектирование печатных плат и электронных модулей

Проектирование печатных плат для предприятия «fabless», заказывающего печатные плат на сторонних высокотехнологичных производствах в т.ч. импортных - ВАРИАНТ 2

Нормы проектирования для многослойных печатных плат с металлизацией сквозных отверстий

Автор: Илья Лейтес, главный технолог ООО "РТС Инжиниринг"

1. Введение

Минимальные нормы проектирования, вводимые данным документом, распространяются на многослойные печатные платы, изготовляемые методом металлизации сквозных отверстий, и предназначаются для задания значений параметров печатной платы в процессе разработки, для оперативного контроля при проектировании и для окончательной проверки при передаче платы на изготовление.

Основными документами, служащими для задания значений параметров норм, являются:

- ГОСТ 23751-86 Платы печатные. Основные параметры конструкции,

- IPC-2221A Generic Standard on Printed Board Design,

- MIL-PRF-31032A General Specification for Printed Circuit Board/ Printed Wiring Board,

- NASA MSFC-STD-2907A Workmanship Standard for Printed Wiring Boards,

- Tom Hausherr, Design for Manufacturability of Rigid Multi-Layer Boards,

- DSCC Supplemental Information Sheet for Electronic QML-31032.

- Приложение 1. Технологические нормы производителей печатных плат сертифицированных министерством обороны США по состоянию на декабрь 2008 года (QML_31032.xls).

2. Классификация плат

Основными исходными параметрами для определения всей совокупности значений норм являются:

• минимально допустимая ширина проводника;
• минимально допустимый зазор между отдельными элементами топологии;
• минимальный диаметр сквозного переходного отверстия;
• отношение толщины печатной платы к диаметру переходного отверстия;
• минимально допустимая ширина ободка контактной площадки вокруг переходного отверстия (гарантийный поясок).

По значениям основных вышеперечисленных параметров, для разграничения уровней сложности проектирования, вводится следующая классификация плат:

• простые платы;
• стандартные платы;
• сложные платы;
• предельные платы.

Все размеры в документе приводятся в миллиметрах.

2.1. Простые платы, соответствующие 4-му классу печатных плат по ГОСТ 23751-86 и имеющие основные параметры согласно Таблице 1. Соответствуют определению 1-ого класса плат, приведенному в разделе 3.1 «Design for Manufacturability», но со сниженными до 0,15 мм шириной проводника и зазором. С такими значениями к данному классу могут быть отнесены кроме совсем простых плат, также и платы с компонентами в BGA корпусах, имеющими шаг между выводами 1,27 мм.

Таблица 1.

Элементы топологии печатных плат	Название в Mentor DRC	Нормы
Ширина проводника	Trace width	0,15
Зазор	Space width	0,15
Диаметр металлизированного отверстия	Via holes	0,3
Ободок контактной площадки (гарантированный поясок)	Annual ring	0,2
Отношение толщины печатных плат к диаметру отверстия		8:1

2.2. Стандартные платы, соответствующие 5-му классу печатных плат согласно ГОСТ 23751-86 и имеющие основные параметры согласно Таблице 2. Полностью соответствуют определению 2-го класса плат в «Design for Manufacturability». Как правило, аналогичные значения приводятся в качестве стандартных технологических норм изготовления у многих производителей печатных плат. Характерным признаком для данного класса плат является применение компонентов в BGA корпусах со сплошным матричным расположением выводов с шагом 1,0 мм.

Таблица 2.

Элементы топологии печатных плат	Название в Mentor DRC	мм
Ширина проводника	Trace width	0,125
Зазор	Space width	0,125
Диаметр металлизированного отверстия	Via holes	0,25
Ободок контактной площадки (гарантированный поясок)	Annual ring	0,15
Отношение толщины печатных плат к диаметру отверстия	AR	10:1

2.3. Сложные платы, выходящие за пределы классов плат по ГОСТ 23751-86, вследствие повышенной плотности монтажа и соединений, с основными параметрами согласно Таблице 3. Переход к данному классу должен быть вынужденным и обоснованным невозможностью сохранения параметров стандартного класса плат. При этом использование значений параметров, выводящих разрабатываемую плату за пределы стандартной, должно быть ограниченно локальными зонами применения с использованием вне локальной зоны норм, принятых для стандартной платы. Например: использование компонентов в BGA корпусах с шагом выводов 0,8 мм в отдельных случаях может вызывать необходимость перехода на сложные платы.

Таблица 3.

Элементы топологии печатных плат	Название в Mentor DRC	мм
Ширина проводника	Trace width	0,1
Зазор	Space width	0,1
Диаметр металлизированного отверстия	Via holes	0,25
Ободок контактной площадки (гарантированный поясок)	Annual ring	0,125
Отношение толщины печатных плат к диаметру отверстия		12:1

2.4. Платы с предельными основными параметрами (Таблица 4) для текущего уровня производства – только у отдельных изготовителей плат имеются такие технологические возможности. Так, например, из 34 заводов сертифицированных министерством обороны США, только 3 берутся за изготовление плат с указанными предельными нормами, и не один из 34 заводов не имеет норм их превышающих (Приложение 1). Разработка плат по предельным нормам не рекомендуется без обоснованной необходимости, и только при наличии предварительного согласования с потенциальным изготовителем печатных плат. Для плат в серийном производстве применение предельных норм допускается только при условии проведения дополнительных контрольно-измерительных мероприятий, и только после проведения всех необходимых испытаний.

Таблица 4.

Элементы топологии печатных плат	Название в Mentor DRC	мм
Ширина проводника	Trace width	0,075
Зазор	Space width	0,075
Диаметр металлизированного отверстия	Via holes	0,2
Ободок контактной площадки (гарантированный поясок)	Annual ring	0,125
Отношение толщины печатных плат к диаметру отверстия		12:1

3. Минимальные нормы проектирования для 4-х классов плат

В таблице 5, кроме основных параметров для всех классов плат приводятся и другие минимальные нормы проектирования, подлежащие контролю в процессе разработки.

Таблица 5.

Пункт			САПР		Классы плат
Элементы топологии печатных плат	Название в Mentor DRC	Рис 1,2	Простая BGA 1,27мм	Станд. BGA 1,00мм	Сложная BGA 0,8мм	Предельная BGA 0,5мм
Класс сложности плат, согласно разделу 3.2 DFM Guidelines			1	2	3	4
Вариант матрицы DRC			Simple	Standard	Complex	Extreme
Диаметр металлизированного отверстия	Via holes	B	0,3	0,25	0,25	0,2
Ободок контактной площадки (гарантийный поясок)	Annual ring	C	0,2	0,15	0,125	0,125
Диаметр высвобождения вокруг отверстия на полигонных слоях	Negative via pads		0,9	0,75	0,65	0,55
Зазор от металла до края отверстия на полигонных слоях	Negative plane to holes	G	0,3	0,25	0,2	0,175
Ширина проводника	Trace width	N	0,15	0,125	0,1	0,075
Ширина проводника при сужении в «узкой» зоне	Trace width	N	0,125	0,1	0,075*	0,075
Зазор	Space width	O	0,15	0,125	0,1	0,075
Зазор для параллельных проводников	Space width	O	0,45	0,4	0,3	0,3
Зазор от края окна в открытой маске до края контактной площадки	Soldermask/ pads	Q	0,05	0,05	0,05	0,05
Зазор от металла до открытой маски	Soldermask to trace/pads	S	0,1	0,075	0,075	0,05
Зазор от металла до края печатных плат	Board outline to trace/pads	UI	0,5	0,3	0,25	0,25
Зазор от края отверстия до края печатных плат	Board outline to holes	J	0,5	0,4	0,3	0,3
Зазор от переходного отверстия до контактной площадки	Via to pads		0,3	0,25	0,2	0,2
Зазор от неметаллизированного отверстия до трассы или контактной площадки	Trace/pads to holes	T	0,5	0,5	0,5	0,4
Зазор от реперного знака до металла	Fiducial to trace/pads		1,5	1,5	1,5	1,5
Зазор от реперного знака до края печатных плат	Board outline to fiducial pads		0,5	0,5	0,5	0,5
Зазор от компонента до компонента	Placement outline to placement outline		0,5	0,4	0,3	0,25
Зазор от компонента до края печатных плат	Board outline to placement outline		0,5	0,5	0,5	0,5
Отношение толщины печатных плат к диаметру отверстия А:В			8:1	10:1	12:1	12:1
Ширина полоски маски		R	0,1	0,1	0,075	0,075

Примечание к таблице:

1) Рекомендуется выбор отдельных показателей для разрабатываемой платы выполнять с максимально возможным превышением норм указанных для соответствующего класса. Проверка проектируемой печатной платы на соответствие минимально допустимым проектным нормам выполняется с помощью DRC – Design Rule Checker.

При проверке необходимо предварительно установить соответствующие значения в задающей матрице соотношений между элементами топологии печатной платы - Element to Element Rules Matrix. Значения, вносимые в ячейки матрицы, определяются в соответствии с перечисленными выше вариантами исполнений печатных плат и для каждой разновидности плат должна быть установлена соответствующая матрица DRC. В таблице 5 для всех классов плат приводится соответствующая таблица DRC c привязкой к файлам 4-х вариантов матриц DRC.