Изготовление печатных плат. 2

1. Электромонтаж

    В производстве приборов значительное место занимают монтажные работы, включающие установку и закрепление покупных и комплектующих деталей (триоды, сопротивления, конденсаторы, полупроводниковые схемы, и др.) на платы, на шасси, на основание и т.п., а также их электрическое соединение между собой.

    Под электромонтажом аппаратуры понимают ряд последовательных операций по соединению монтажными проводниками контактных выводов электроэлементов схемы.

    Различают электромонтаж внутренний и внешний. Внутренний электромонтаж предусматривает осуществление соединений внутри самого устройства (блока, узла, прибора и т.п.) посредством монтажных проводов и выводов электроэлементов схемы. Внешний электромонтаж заключается в изготовлении соединительных кабелей, предназначенных для осуществления комплексной электрической связи между отдельными функциональными блоками или узлами сложной системы. Существуют два вида внутреннего электромонтажа: объемный и печатный. Представленная классификация весьма условна и приведена только с целью удобства рассмотрения технологии их выполнения. 

1. Печатный  монтаж и типовые  технологические  процессы

    Сущность  печатного монтажа заключается  в том, что все контактные соединения, предназначенные для пайки, выведены в одну плоскость и роль монтажных проводов выполняет проводящий металлический рисунок, закрепленный на изоляционной плате в соответствии с принципиальной схемой. Недостатки печатного монтажа: затруднено внесение изменений в схему, сложные схемы требуют большой площади платы. Достоинства: обеспечивает возможность механизации и автоматизации производственных процессов, повышенная прочность отдельных блоков, стабильность и идентичность взаимовлияний электрических параметров. Применение ППМ позволяет: обеспечить значительное повышение плотности соединений и возможность миниатюризации аппаратуры, стабильность электрических параметров, повышение электрических нагрузок в цепях, повышение качества и надежности аппаратуры, улучшение механической прочности, унификация и стандартизация узлов, создание условий для механизации и автоматизации монтажных работ.

    Конструкторско-технологическая  классификация 1ШМ.

    Печатные  платы могут быть:

    Односторонние без металлизированных отверстий,

    - «- с металлизированными отверстиями.

    Двухсторонние на диэлектрическом основании,

    -«-  на металлическом основании.

    Многослойные  с межслойными соединениями;

    -«-  без межслойных соединений.

    Гибкие  гибкие платы;

    -«-  гибкие кабели, шлейфы.

    Проводные с печатным рисунком;

    -«-  без печатного рисунка.

    Групповая плата.

    По  геометрическим размерам платы подразделяются на: - особо малогабаритные менее 60х90 мм, - малогабаритные менее 120х180 мм, - среднегабаритные менее 200х240 мм, - крупногабаритные менее 240х360 мм. Рекомендуемое соотношение сторон: 1:1; 1:3 ; 2:3 ; 2:5.

    По  плотности монтажа ППМ делятся на 5 классов, см. ГОСТ. Например, по ширине проводников и расстояния между проводниками от 0,5 мм до 0,1мм.

    В качестве материалов для плат печатного  монтажа применяют: гетинакс, стеклотекстолит, полиамидные материалы, фторопласт, керамику и другие материалы. Медная фольга используется для нанесения ее на диэлектрик в качестве проводников толщиной 20-50 мкм, при этом чистота состава не менее 99,5%.

    При изготовлении многослойных печатных плат применяют специальные склеивающие  прокладки, например: стеклоткань, пропитанная эпоксидной смолой; толщина прокладок 25-100мкм.

    В производстве ШМ применяют жидкие фоторезисты. Это светочувствительные составы  для получения рисунка печатного  монтажа. Жидкие фоторезисты могут  быть негативные и позитивные. В последнее время применяют сухие фоторезисты, которые превосходят жидкие по технологичности. Сухой фоторезист – это тонкая пленка, полимеризующуяся под действием ультрафиолетового излучения. Конструктивно пленка состоит из 3 частей: оптически прозрачная пленка полиэтилентерефталота, пленки светочувствительного полимера, защитной полиэтиленовой пленки.

    Рис.1.1. Схема травления (H - толщина вытравливаемого металла; F — толщина фоторезиста)

    Для получения рисунков печатного монтажа  необходимы фотошаблоны, изготовляемые большей частью с фотооригиналов. Фотооригиналом называют графическое изображение элементов печатного монтажа, выполненное, как правило, с увеличением масштаба на малоусадочной основе и предназначенное для последующего фотографирования с целью получения рабочих фотошаблонов. Фотошаблоном ППМ называют графическое изображение элементов печатного монтажа, выполненное в натуральном масштабе на фотопластинке или фотопленке и предназначенное для использования в серийном технологическом процессе производства ППМ. Фотошаблоны выполняют в позитивном и негативном изображениях путем перефотографирования фотооригинала. Фотошаблоны могут быть контрольные и рабочие. Производство фотооригиналов и фотошаблонов является наиболее трудоемкой операцией и составляет до 50% общей трудоемкости производства ППМ.

    Механическая  обработка ППМ предусматривает  обработку в них всех видов  отверстий, а также контурную  обработку.

    Изготовление  отверстий методом штамповки  производится специальным многопозиционным штампом, позволяющим получить сразу все отверстия или группу отверстий. Данный метод высокопроизводителен, но применяется только в массовом и серийном производстве и, кроме того, невозможно получить отверстия малого диаметра.

    Как правило, все отверстия изготавливаются  путем сверления. Таким же способом получают базовые и технологические отверстия. В качестве инструмента применяют специальные твердосплавные сверла. При сверлении отверстий происходит наволакивание смолы на контактные площадки. С целью устранения этого эффекта применяют: жидкостное охлаждение; угол заточки сверла 118о; применяют сверление и рассверливание; сверление с технологическими пластинами из пластмассы сверху и снизу основания ППМ. Наиболее прогрессивным оборудованием являются станки для сверления в ППМ с ЧПУ. Станки имеют четыре шпинделя ( одновременно обрабатывается четыре одинаковых платы), высокооборотные шпиндели (до 120 тыс. оборотов в минуту), хорошее виброизоляционное основание.

    В настоящее время написаны статьи о том, как выводить Gerber файлы  и программу сверления из систем проектирования PCAD 4.5, PCAD 8.5, PCAD 200X, OrCAD, Protel 99. Раздел будет пополняться статьями, посвященными самому стандарту RS-274X, выводу данных Gerber из систем проектирования Protel DXP, Eagle, особенностям при проектировании плат, приводящим к ошибкам при экспорте гербер файлов и т.д.

    Заготовки ППМ получают методами штамповки  и резания роликовыми или гильотинными ножницами. Виды дефектов в ПП: короткие замыкания между элементами печатного  монтажа; разрыв токопроводящих цепей; нарушение электрической связи между контактными площадками и металлизированными отверстиями в наружных и внутренних слоях многослойной структуры; отслоение элементов печатного монтажа от диэлектрического основания; выход отверстия за пределы контактных площадок; расслоение многослойной структуры и понижение сопротивления изоляции; потемнение проводников и др.

    В качестве материалов для плат печатного  монтажа применяют: гетинакс, стеклотекстолит, полиамидные материалы, фторопласт, керамику и другие материалы. Медная фольга используется для нанесения ее на диэлектрик в качестве проводников толщиной 20-50 мкм, при этом чистота состава не менее 99,5%.

    При изготовлении многослойных печатных плат применяют специальные склеивающие  прокладки, например: стеклоткань, пропитанная эпоксидной смолой; толщина прокладок 25-100мкм.

    Конструктивно-технологические  характеристики плат печатного монтажа(ППМ) определяют технологический процесс  их изготовления. В зависимости от сложности реализуемой электрической  схемы и применяемой элементной базы выбирают конструктивное исполнение платы, число слоев и плотность проводящего рисунка схемы. ППМ в зависимости от плотности рисунка делят на три класса:

    Технологический процесс изготовления основания  ППМ зависит от класса ППМ. Химический метод применяется для односторонних плат и внутренних слоев МПП. Электрохимический метод применяется для изготовления ДПП третьего класса и наружных слоев МПП. Комбинированный метод применяется для изготовления ОПП и ДПП первого и второго классов.Аддитивный метод применяется для ОПП и ДПП первого класса. Ориентировочно соотношение трудоемкости изготовления ОПП без металлизированных отверстий, ДПП и МПП составляет 1:4:20. По геометрическим размерам ППМ подразделяются на особо малогабаритные (80х90 мм); малогабаритные (120х180 мм); среднегабаритные(200х240 мм); крупногабаритные(240х360мм), при этом соотношение сторон выбирается из следующих величин 1:1, 2:3, 2:5.

    Трассировку рисунка схемы производят по координатной сетке с шагом 2,5; 1,25; 0,625 мм и менее. Это дает ряд преимуществ в технологии: упрощение в программе для сверления отверстий в платах, возможность использования шелкографии, упрощение процесса механизации и автоматизации. Допустимые рабочие напряжения для проводников плат зависят от минимальных расстояний между ними, материала диэлектрического основания и окружающей среды. Плотность тока в печатных проводниках наружных слоев плат не должна превышать 20 А/мм2, а во внутренних слоях МПП-15 А/мм². 

    Существует  достаточно большое количество различных технологических процессов получения оснований ППМ. Рассмотрим кратко только 4 основных способа:

    1. Химический метод заключается в том, что на фольгированный диэлектрик с одной стороны наносят защитный слой позитивного рисунка схемы. Последующим травлением в растворе хлорного железа или хлорной меди удаляют медь с незащищенных участков и на диэлектрике получается требуемая электрическая схема проводников. Химический метод подразделяется по методам нанесения защитных покрытий на: фотохимический, сеточнохимический, офсетнохи-мический. Метод применяется для односторонних плат и внутренних слоев МПП.

    2. Электрохимический (полуаддитивный) метод заключается в предварительном химикогальваническом меднении отверстий и поверхности нефольгированного диэлектрика, гальванического наращивания токопроводящих участков и химического травления слоя предварительного меднения с незащищенных мест. В зависимости от способа получения защитного рисунка схемы существуют варианты: фотоэлектрический, сеточнохимический, электрохимический. Метод применяется для изготовления двухсторонних печатных плат 3 класса и наружных слоев МПП.

    3. Комбинированный метод заключается в получении проводников путем травления фольгированного диэлектрика и металлизации отверстий химико-гальваническим способом. Может быть позитивный и негативный. Метод применяется для изготовления односторонних и двухсторонних плат 1 и 2 класса. Метод применяется также для металлизации сквозных отверстий для многослойных плат.

    4. Аддитивный метод заключается в химическом осаждении меди в зоне токопроводящих участков на нефольгированный диэлектрик с введением катализатора и с адгезивным слоем. Метод применяется для изготовления одно и двухсторонних плат невысокой точности.

    Комбинированный и электрохимический методы наиболее трудоемки.

    Технологический процесс состоит из ряда типовых  операций. Для примера рассмотрим один из вышеупомянутых технологических  процессов. 

2. Типы  печатных плат

       Появление печатных плат (ПП) в их современном  виде совпадает с началом использования  полупроводниковых приборов в качестве элементной базы электроники. Переход на печатный монтаж даже на уровне одно- и двухсторонние плат стал в свое время важнейшим этапом в развитии конструирования и технологии электронной аппаратуры.

       Разработка  очередных поколений элементной базы (интегральная, затем функциональная микроэлектроника), ужесточение требований к электронным устройствам, потребовали развития техники печатного монтажа и привели к созданию многослойных печатных плат (МПП), появлению гибких, рельефных печатных плат.

       Многообразие  сфер применения электроники обусловило совместное существование различных  типов печатных плат:

       1. ОПП - односторонняя печатная  плата. Элементы располагаются  с одной стороны платы. Характеризуется  высокой точностью выполняемого рисунка; 

       2. ДПП - двухсторонняя печатная  плата. Рисунок располагается  с двух сторон, элементы с одной  стороны. ДПП на металлическом  основании используются в мощных  устройствах; 

       3. МПП - многослойная печатная плата.  Плата состоит из чередующихся  изоляционных слоев с проводящим рисунком. Между слоями могут быть или отсутствовать межслойные соединения; 

       4. ГПП - гибкая печатная плата.  Имеет гибкое основание; 

       5. РПП - рельефная печатная плата. 

1. Односторонние печатные платы

       Односторонние платы по-прежнему составляют значительную долю выпускаемых в мире печатных плат. В предыдущем десятилетии в США они составляли около 70% объема выпуска плат в количественном исчислении, однако, лишь около 10 % в стоимостном.

       В Великобритании такие платы составляют около четверти от объема всего производства.

       Маршрут изготовления односторонних плат традиционно  включает   48сверление, фотолитографию, травление медной фольги, защиту поверхности  и подготовку к пайке, разделение заготовок. Стоимость односторонних  плат составляет 0,1 - 0,2 от стоимости двухсторонних плат, это делает их вполне конкурентными, особенно в сфере бытовой электроники.

       Отметим, однако, что для современных электронных  устройств, даже бытового назначения, односторонние платы часто требуют  контурного фрезерования, нанесения защитных маскирующих покрытий, их сборка ведется с посадкой кристаллов непосредственно на плату или поверхностным монтажом.

       Пример  такой платы в сборе, используемой в цифровом спидометре - альтиметре горного велосипеда, показан на рис.1.35,б.

       Типовые параметры плат: 

       •  Макс. размеры заготовки - 400 мм x 330 мм ; 

       •  Минимальный диаметр отверстия - 0,6 мм; 

       •  Минимальная ширина проводника - 0,15 мм; 

       •  Минимальный зазор - 0,15 мм; 

       •  Толщина фольги - 36 мкм; 

       •  Толщина платы - 0,4 - 1,6 мм. 

       Альтернативой фотохимическому способу изготовления односторонних плат является фрезерование проводящего слоя в медной фольге на двухкоординатных фрезерных станках  с ЧПУ. Этот метод наиболее эффективен при изготовлении прототипов плат, он позволяет разработчику получить опытный образец за 1,5 - 2 часа в условиях конструкторского бюро. 

       Рис. 2.1. Примеры односторонних плат. 

2. Двухсторонние печатные платы 

       Двухсторонние платы составляют в настоящее  время значительную долю объема выпуска плат, например, в Великобритании до 47 %. Не претендуя на однозначность оценок, а, опираясь лишь на собственную статистику последних трех лет, можно оценить долю двухсторонних плат в российском производстве в 65 - 75%.

       Столь значительное внимание разработчиков к этому виду плат объясняется своеобразным компромиссом между их относительно малой стоимостью и достаточно высокими возможностями.

       Технологический процесс изготовления двухсторонних  плат, также как односторонних, является частью более общего процесса изготовления многослойных ПП. Однако для двухсторонних плат не требуется применять прессования слоев, значительно проще выполняется очистка отверстий после сверления.

       Вместе  с тем, для большинства двухсторонних  плат за рубежом проектные нормы "проводник / зазор" составляют 0,25 / 0,25 мм (40% от объема выпуска), 0,2 / 0,2 мм (18%) и 0,15 / 0,15 мм (18%). Это позволяет использовать такие платы для изготовления широкого круга современных изделий, они вполне пригодны как для монтажа в отверстия, так и для поверхностного монтажа. Нередко на проводники двухсторонних плат наносится золотое покрытие рис.1.36,а, а для металлизации отверстий используется серебро рис.1.36,б. 

       Рис.2.2 Пример ДПП. 

       Типовые параметры двухсторонних плат:

       • Максимальные размеры заготовки - 300x250...500х500 мм; 

       •  Минимальный диаметр отверстия - 0.4...0,6 мм; 

       •  Минимальная ширина проводника - 0,15 мм; 

       •  Минимальный зазор - 0,15 мм; 

       •  Толщина фольги - 18..36 мкм; 

       •  Толщина платы - 0,4 - 2,0 мм.

       Опираясь  на собственный опыт изготовления прототипов отечественных двухсторонних плат, можно констатировать, что запросы  отечественных разработчиков удовлетворяются  пока диапазоном проектных норм 0,2 / 0,2 - 0,3 / 0,3 мм, норма 0,15 / 0,15 мм встречается не более чем в 10% случаев. Отметим, что отечественные разработчики, точно также как их зарубежные коллеги, закладывают в технические задания на изготовление двухсторонних плат нанесение паяльной маски, маркировку, весьма часто -фрезерование плат по сложному контуру. Как правило, сборка таких плат предусматривает поверхностный монтаж компонентов. 

3. Многослойные печатные платы

       Многослойные  печатные платы (МПП) составляют две  трети мирового производства печатных плат в ценовом исчислении, хотя в количественном выражении уступают одно- и двухсторонним платам. 

       Рис2.3 Многослойные печатные платы (МПП) 

       По  своей структуре МПП значительно  сложнее двухсторонних плат. Они  включают дополнительные экранные слои (земля и питание), а также несколько  сигнальных слоев. 

       Для обеспечения коммутации между слоями МПП применяются межслойные переходы (vias) и микропереходы (microvias). 

       Межслойные  переходы могут выполняться в  виде сквозных отверстий, соединяющих  внешние слои между собой и  с внутренними слоями, применяются также глухие и скрытые переходы. 

       Глухой  переход - это соединительный металлизированный  канал, видимый только с верхней  или нижней стороны платы. Скрытые  же переходы используются для соединения между собой внутренних слоев  платы. Их применение позволяет значительно упростить разводку плат, например, 12-слойную конструкцию МПП можно свести к эквивалентной 8-слойной. коммутации. 

       Рис 2.4 Микропереходы  в контактных площадках

       Специально  для поверхностного монтажа разработаны  микропереходы, соединяющие между собой контактные площадки и сигнальные слои. Для изготовления МПП производится соединение нескольких ламинированных фольгой диэлектриков между собой, для чего используются склеивающие прокладки - препреги. Поэтому толщина МПП растет непропорционально быстро с ростом числа сигнальных слоев. 

       В связи с этим необходимо учитывать  большое соотношение толщины  платы к диаметру сквозных отверстий. Например, для МПП с диаметром  отверстий 0,4 мм и толщиной 4 мм это  соотношение равно 10:1, что является весьма жестким параметром для процесса сквозной металлизации отверстий. 

       Рис 2.5 8-слойная печатная плата 

       Тем не менее, даже учитывая трудности с  металлизацией узких сквозных отверстий, изготовители МПП предпочитают достигать  высокой плотности монтажа за счет большего числа относительно дешевых слоев, нежели меньшим числом высокоплотных но, соответственно, более дорогих слоев. В современных МПП широко применяется поверхностный монтаж всех видов современных интегральных схем, включая, как это показано на рисунке, безкорпусных схем, заливаемых компаундом после разварки выводов.  

       Технология  изготовления МПП 

4. Гибкие  печатные платы

       Использование гибких диэлектрических материалов для изготовления печатных плат дает как разработчику, так и пользователю электронных устройств ряд уникальных возможностей. Это, прежде всего - уменьшение размеров и веса конструкции, повышение эффективности сборки, повышение электрических характеристик, теплоотдачи и в целом надежности.

       Если  учесть основное свойство таких плат - динамическую гибкость - становится понятным все возрастающий объем применения таких плат в автомобилях, бытовой  технике, медицине, в оборонной и аэрокосмической технике, компьютерах, в системах промышленного контроля и бортовых системах.

       Гибкие  печатные платы (ГПП) изготавливаются  на полиимидной или лавсановой пленке и поэтому могут легко деформироваться  даже после формирования проводящего  рисунка. Большая часть конструкций гибких ПП аналогична конструкциям печатных плат на жесткой основе.