МОНТАЖНАЯ ПЛАТА

Данная полезная модель относится к конструированию электронной аппаратуры, конкретно к монтажным платам, служащим для установки и электрического соединения электрорадиоэлементов (ЭРЭ), в том числе больших интегральных схем (БИС), и может быть использована в вычислительной технике, приборостроении, радиоэлектронике. Известна плата с печатным и проводным монтажом, содержащая основание с отверстиями, шины и посадочные места для ЭРЭ в виде плоских модулей, которые снабжены монтажными штырями под накрутку соединительных проводов [1]. Эта плата имеет недостатки, в принципе свойственные монтажу накруткой: низкую плотность компоновки, недостаточную помехозащищенность, вследствие чего отсутствует возможность реализовывать на ней схемы, содержащие современные высокоскоростные БИС и СБИС в многовыводных корпусах поверхностного монтажа.
Известна также плата с печатным и проводным монтажом, состоящая из жесткого изоляционного основания со сквозными отверстиями, на одной стороне которого выполнены печатные шины земли и питания и контактные площадки (КП), а на другой - сигнальная разводка в виде изолированного провода, проложенного по плате в соответствии со схемой соединений по кратчайшим расстояниям и прошивающего плату через отверстия с образованием петель провода на стороне печатного монтажа, припаиваемых к КП [2].
Платы этого типа обеспечивают высокую плотность компоновки ЭРЭ, в т. ч. микросхем малого и среднего уровня интеграции, будучи эквивалентом по этому показателю многослойным печатным платам (MПП). Они являются предпочтительной альтернативой MПП по трудоемкости и сложности
проектирования и изготовления, надежности, помехозащищенности, ремонтопригодности, стоимости материалов и технологического оборудования, экологической нагрузке производства на окружающую среду. Однако они имеют ограниченный по минимуму шаг монтажа концов проводных связей на уровне 1.5-1.25 мм, что обусловлено технологическими особенностями данного метода проводного монтажа. Это ограничение не позволяет непосредственно монтировать на них современные БИС и СБИС в корпусах с шагом выводов менее указанного уровня, сужая функциональные возможности схем, реализуемых на платах данного типа.
Наиболее близким по технической сущности аналогом (прототипом) является монтажная плата, содержащая металлическое основание со сквозными прорезями, заполненными эластичным материалом, являющееся шиной нулевого потенциала, расположенные на верхней стороне основания шину питания и посадочные места для ЭРЭ, ограниченные сквозными прорезями, монтажные провода, проложенные на нижней стороне основания, прошивающие основание по прорезям через эластичный материал с образованием петель на верхней стороне основания, соединяемых с выводами ЭРЭ в соответствии с электрической схемой [3]. Эта плата обеспечивает высокую надежность монтажа и помехозащищенность проводных сигнальных связей, но не может обеспечить достаточно малого шага монтажа концов проводных связей, совместимого с шагом выводов миниатюрных корпусов современных БИС (0.5-0.625 мм).
Решаемой в предложенной монтажной плате технической задачей является обеспечение реализации на платах с проводным монтажом электросхем, содержащих БИС в современных миниатюрных корпусах поверхностного монтажа с большим (>100) количеством и малым шагом (<1 мм) выводов, что позволяет
отказаться от использования для таких схем MПП с металлизированными отверстиями, и тем самым повысить помехозащищенность и надежность таких схем, упростить и удешевить технологию их изготовления, снизить трудоемкость и улучшить экологические показатели производства.
Указанный технический результат достигается в предлагаемой в качестве полезной модели конструкции монтажной платы, содержащей металлическое основание со сквозными прорезями, заполненными диэлектрическим эластичным материалом, являющееся шиной нулевого потенциала, расположенные на верхней стороне основания шины питания и посадочные места для ЭРЭ, ограниченные сквозными прорезями, монтажные провода, проложенные в соответствии с электрической схемой на нижней стороне основания, прошивающие его по прорезям через эластичный материал, причем каждое посадочное место для БИС содержит прямоугольную плоскую рамку из диэлектрического материала с односторонним печатным рисунком, распределенным по секторам рамки, образованным пересечением ее диагоналей, содержащим пары соединенных проводниками КП, расположенных в разных рядах, параллельных сторонам рамки в секторе, при этом одна из каждой пары КП принадлежит внутреннему ряду, примыкающему к окну рамки, КП которого расположены в соответствии с шагом выводов корпуса БИС, при этом КП для выводов нулевого потенциала удлинены в сторону окна, а все КП других рядов содержат сквозные отверстия, совмещенные с прорезями основания.
Использование в конструкции посадочного места для БИС с большим количеством выводов планарного монтажа, расположенных с малым шагом по периметру корпуса, прямоугольной рамки с односторонним печатным рисунком позволяет при монтаже БИС на плате осуществить переход от шага выводов БИС к шагу прошивки платы проводом. Выполнение на рамке печатного проводящего
рисунка, содержащего соединительные проводники между КП для установки выводов БИС и КП для петель провода, прошивающего плату, в секторах, соответствующих каждому ряду выводов БИС, при распределении КП в рядах, параллельных рядам выводов (сторонам рамки) обеспечивает минимизацию площади рамки, и следовательно, площади посадочного места БИС в ортогональной сетке размещения ЭРЭ на монтажной плате, т.е. позволяет получить максимально возможную плотность установки ЭРЭ на плате. Достижению этой же цели способствует расположение прошивочных отверстий, совмещенных с прорезями, внутри КП для припайки петель провода. Выполнение КП для выводов нулевого потенциала, удлиненных по направлению к окну позволяет непосредственно присоединить их к основанию платы - шине нулевого потенциала, что повышает помехозащищенность платы. Наличие окна в рамке позволяет установить корпус БИС непосредственно на металлическое основание, что повышает надежность работы микросхемы за счет эффективного теплоотвода.
Таким образом, предлагаемое конструктивное исполнение посадочного места для БИС решает поставленную задачу использования плат с проводным монтажом стежкового (петлевого) типа для реализации схем, содержащих БИС, что позволяет отказаться от использования МПП, т.е. упростить и снизить трудоемкость технологии проектирования и изготовления монтажных плат и повысить их надежность.
На Фиг.1 показан фрагмент основания платы с фрагментом шины питания, установленными на нем типовыми микросхемами малого уровня интеграции и посадочным местом для БИС, ограниченным прорезями (без монтажной рамки).
На Фиг.2 показано посадочное место со смонтированной на нем БИС (вид сверху).
На Фиг.3 показан разрез по оси А-А посадочного места с БИС. Монтажная плата содержит металлическое основание (1) со сквозными прорезями, заполненными эластичным материалом (2), определяющими посадочные места (3), шины питания (4), ЭРЭ (5), установленные на металлическое основание, петли (6) монтажных проводов (7), проложенных на нижней стороне основания, плоскую рамку из диэлектрического материала (8) с окном (9), на которую монтируется БИС (10), устанавливаемая в окне (9) на посадочное место (3). На рамке (8) выполнен проводниковый печатный рисунок, содержащий пары расположенных рядами контактных площадок (11) и (12), соединенных проводниками (13). Некоторые из контактных площадок внутреннего ряда (14), удлинены по направлению внутрь окна и припаяны к основанию (1).
Внутри КП (12) выполнены сквозные отверстия (15), совмещенные с прорезями (2) основания (1); через отверстия (15) проходят петли (6) монтажных проводов, припаянные к этим КП.
Предлагаемое техническое решение может быть реализовано следующим образом.
На основании (1) в виде пластины из алюминиевого сплава толщиной 1,0 мм. выполнены сквозные прорези (2) шириной 1,2 мм., ограничивающие располагаемые поперечными рядами посадочные места (3) для микросхем (5) в корпусах с двурядным расположением выводов, а также других ЭРЭ с шагом выводов не менее 1,25 мм. В углу платы имеется посадочное место для БИС (10) в квадратном корпусе типа QFP с четырехсторонним расположением выводов (в количестве 208) типа «крыло чайки», ограниченное с четырех сторон сквозными прорезями (2). Все прорези заполнены эластосилом. Накладные шины питания (4) проходят вдоль периметра основания с ответвлениями вдоль рядов ЭРЭ и вокруг посадочного места
БИС (10). На посадочном месте (3) для БИС (10) установлена на клее плоская квадратная рамка (8) из фольгированного стеклотекстолита толщиной 0,25 мм. с окном, размером 27*27 мм. для установки корпуса БИС (10) на металлическое основание (1) с помощью теплопроводящего клея. На верхней стороне рамки выполнен печатный рисунок, включающий КП (11, 14) для пайки на них выводов БИС (10) размером 2,5*0,25 мм., и 4,0*0,25 мм. соответственно, расположенные с шагом 0,5 мм. в соответствии с расположением выводов БИС, а также ряды круглых КП (12) диаметром 1,6 мм. с отверстиями (15) диаметром 0,8 мм., совмещенными с соответствующими прорезями, для прошивки петель (6) соединительных проводников (7), которые распаиваются на КП (12). КП для выводов (11) и петель (12) соединены попарно печатными проводниками (13) шириной 0,25 мм. КП (14) для выводов нулевого потенциала удлинены в сторону окна на 1,5 мм. и припаяны в окне к металлическому основанию (1). КП (12), соединенные с выводами питания БИС, перемычкой соединяются с соответствующей шиной питания (4).
На противоположной стороне основания (1) с использованием автомата с программным управлением типа «АРАКС-1» раскладывают провод (7) типа ПЭВТЛК-0,1 и прошивают его в соответствии со схемой соединений по координатам расположения выводов микросхем (5) и отверстий (15) рамки (8) по прорезям (2) через эластичный материал и отверстия (15) с образованием на верхней стороне платы петель (6). Петли (6) припаивают к КП (12) и отформованным выводам микросхем (5), установленных на теплопроводном клее на посадочные места (3) выводами вверх. Выводы нулевого потенциала микросхем перемычками соединяют с основанием. БИС (10) устанавливают в окне (9) рамки (8) на посадочное место (3) на теплопроводном клее и распаивают ее выводы на КП (11) и (14) внутреннего ряда. В нужных местах между шиной и основанием устанавливают
и распаивают конденсаторы. Таким образом, предлагаемая конструкция обеспечивает монтаж БИС на платы с проводным монтажом стежкового типа. Это позволяет отказаться от MПП при реализации цифровых схем, содержащих БИС в сочетании с микросхемами более низкого уровня интеграции и другими ЭРЭ.
Данная монтажная плата имеет существенные преимущества перед MПП, требующимися для монтажа схем, содержащих БИС в сочетании с микросхемами более низкого уровня интеграции в корпусах поверхностного монтажа. Ее преимущества - простота и меньшая трудоемкость проектирования и изготовления, невысокая себестоимость, высокая помехозащищенность, т.к. шина нулевого потенциала создает "микрополосковый" эффект для каждого сигнального проводника, высокая надежность паяных соединений по сравнению с металлизированными отверстиями, обеспечение комфортного теплового режима для работы скоростных, с высоким тепловыделением БИС, т.к. они устанавливаются непосредственно на массивное металлическое основание, выполняющее функцию радиатора, рассеивающего тепло. Эти преимущества позволяют использовать предлагаемую монтажную плату в изделиях с повышенными требованиями к надежности, эксплуатирующихся в жестких условиях окружающей среды.
Предлагаемая конструкция модуля опробована в экспериментальных образцах и будет использоваться для реализации различных цифровых схем, содержащих БИС в сочетании с другими ЭРЭ.
Источники информации:
1. Патент РФ №2042291, Н05 к 1/00, опубликованный 20.08.95 г.
2. Авторское свидетельство СССР №541303, Н 05 к 3/00, опубликованное 04.11.74 г.
3. Патент РФ №2004084, Н 05 к 3/00, опубликованный 30.11.93 г.