Печатная плата

Печатная плата со смонтированными на ней электронными компонентами.

Гибкая печатная плата с установленными деталями объёмного и поверхностного монтажа.

Чертеж платы в CAD-программе и готовая плата

Устройство

Так же основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие печатные платы применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. При этом металлическое основание платы крепится к радиатору .

В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт , армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д) и керамика .

• ГОСТ 2.123-93 Единая система конструкторской документации. Комплектность конструкторской документации на печатные платы при автоматизированном проектировании.
• ГОСТ 2.417-91 Единая система конструкторской документации. Платы печатные. Правила выполнения чертежей.

Другие стандарты на печатные платы:

• ГОСТ Р 53386-2009 Платы печатные. Термины и определения.
• ГОСТ Р 53429-2009 Платы печатные. Основные параметры конструкции. Этот ГОСТ задает классы точности печатных плат и соответствующие геометрические параметры.

Типовой процесс

Рассмотрим типичный процесс разработки платы из готовой принципиальной электрической схемы:

• Трансляция принципиальной электрической схемы в базу данных САПР разводки печатной платы. Заранее определяются чертежи каждого компонента, расположение и назначение выводов и др. Обычно используются готовые библиотеки компонентов, поставляемые разработчиками САПР.
• Уточнение у будущего изготовителя печатной платы его технологических возможностей (имеющиеся материалы, количество слоев, класс точности, допустимые диаметры отверстий, возможность покрытий и т. п.).
• Определение конструктива печатной платы (габаритов, точек крепления, допустимых высот компонентов).
  • Вычерчивание габаритов (краёв) платы, вырезов и отверстий, областей запрета размещения компонентов.
  • Расположение конструктивно-привязанных деталей: разъёмов, индикаторов, кнопок и др.
  • Выбор материала платы, количества слоев металлизации, толщины материала и толщины фольги (наиболее часто используется стеклотекстолит толщиной 1,5 мм с фольгой толщиной 18 или 35 мкм).
• Выполнение автоматического или ручного размещения компонентов. Обычно стремятся разместить компоненты на одной стороне платы поскольку двусторонний монтаж деталей заметно дороже в производстве.
• Запуск трассировщика. При неудовлетворительном результате - перерасположение компонентов. Эти два шага зачастую выполняются десятки или сотни раз подряд. В некоторых случаях трассировка печатных плат (отрисовка дорожек ) производится вручную полностью или частично.
• Проверка платы на ошибки (DRC, Design Rules Check ): проверка на зазоры, замыкания, наложения компонентов и др.
• Экспорт файла в формат, принимаемый изготовителем печатных плат, например Gerber .
• Подготовка сопроводительной записки в которой, как правило, указывают тип фольгированного материала, диаметры сверления всех типов отверстий, вид переходных отверстий (закрытые лаком или открытые, луженые), области гальванических покрытий и их тип, цвет паяльной маски, необходимость маркировки, способ разделения плат (фрезеровка или скрайбирование) и т. п..

Изготовление

Изготовление ПП возможно аддитивным или субтрактивным методом. В аддитивном методе проводящий рисунок формируется на нефольгированном материале путём химического меднения через предварительно нанесённую на материал защитную маску. В субтрактивном методе проводящий рисунок формируется на фольгированном материале, путём удаления ненужных участков фольги. В современной промышленности применяется исключительно субтрактивный метод.

Весь процесс изготовления печатных плат можно разделить на четыре этапа:

• Изготовление заготовки (фольгированного материала).
• Обработка заготовки с целью получения нужных электрического и механического вида.
• Монтаж компонентов.
• Тестирование.

Часто под изготовлением печатных плат понимают только обработку заготовки (фольгированного материала). Типовой процесс обработки фольгированного материала состоит из нескольких этапов: сверловка переходных отверстий, получение рисунка проводников путем удаления излишков медной фольги, металлизация отверстий, нанесение защитных покрытий и лужение, нанесение маркировки. Для многослойных печатных плат добавляется прессование конечной платы из нескольких заготовок.

Изготовление фольгированного материала

Фольгированный материал - плоский лист диэлектрика с наклеенной на него медной фольгой. Как правило в качестве диэлектрика используют стеклотекстолит . В старой или очень дешевой аппаратуре используют текстолит на тканевой или бумажной основе, иногда именуемый гетинаксом . В СВЧ устройствах используют фторсодержащие полимеры (фторопласты). Толщина диэлектрика определяется требуемой механической и электрической прочностью, наибольшее распространение получила толщина 1,5 мм.

На диэлектрик с одной или двух сторон наклеивают сплошной лист медной фольги. Толщина фольги определяется токами под которые проектируется плата. Наибольшее распространение получила фольга толщиной 18 и 35 мкм. Такие значения исходят из стандартных толщин меди в импортных материалах, в которых толщина слоя медной фольги исчисляется в унциях (oz) на квадратный фут . 18 мкм соответствует ½ oz и 35 мкм - 1 oz.

Алюминиевые печатные платы

Отдельную группу материалов составляют алюминиевые металлические печатные платы. Их можно разделить на две группы.

Первая группа - решения в виде листа алюминия с качественно оксидированной поверхностью, на которую наклеена медная фольга. Такие платы нельзя сверлить, поэтому обычно их делают только односторонними. Обработка таких фольгированных материалов выполняется по традиционным технологиям химического нанесения рисунка.

Вторая группа подразумевает создание токопроводящего рисунка непосредственно в алюминии основы. Для этой цели алюминиевый лист оксидируют не только по поверхности но и на всю глубину основы согласно рисунку токопроводящих областей, заданному фотошаблоном.

Обработка заготовки

Получение рисунка проводников

При изготовлении плат используются химические, электролитические или механические методы воспроизведения требуемого токопроводящего рисунка, а также их комбинации.

Химический способ

Химический способ изготовления печатных плат из готового фольгированного материала состоит из двух основных этапов: нанесение защитного слоя на фольгу и травление незащищенных участков химическими методами.

В промышленности защитный слой наносится фотолитографическим способом с использованием ультрафиолетово -чувствительного фоторезиста , фотошаблона и источника ультрафиолетового света. Фоторезистом сплошь покрывают медь фольги, после чего рисунок дорожек с фотошаблона переносят на фоторезист засветкой. Засвеченный фоторезист смывается, обнажая медную фольгу для травления, незасвеченный фоторезист фиксируется на фольге, защищая её от травления.

Фоторезист бывает жидким или пленочным. Жидкий фоторезист наносят в промышленных условиях так как он чувствителен к несоблюдению технологии нанесения. Пленочный фоторезист популярен при ручном изготовлении плат, однако он дороже. Фотошаблон представляет собой УФ-прозрачный материал с распечатанным на нём рисунком дорожек. После экспозиции фоторезист проявляется и закрепляется как и в обычном фотохимическом процессе.

В любительских условиях защитный слой в виде лака или краски может быть нанесен шелкотрафаретным способом или вручную. Радиолюбители для формирования на фольге травильной маски применяют перенос тонера с изображения, отпечатанного на лазерном принтере («лазерно-утюжная технология»).

Под травлением фольги понимают химический процесс перевода меди в растворимые соединения. Незащищенная фольга травится, чаще всего, в растворе хлорного железа или в растворе других химикатов, например медного купороса , персульфата аммония , аммиачного медно-хлоридного, аммиачного медно-сульфатного, на основе хлоритов , на основе хромового ангидрида . При использовании хлорного железа процесс травления платы идет следующим образом: FeCl 3 +Cu → FeCl 2 +CuCl. Типовая концентрация раствора 400 г/л, температура до 35°С. При использовании персульфата аммония процесс травления платы идет следующим образом: (NH 4) 2 S 2 O 8 +Cu → (NH 4) 2 SO 4 +CuSO 4 .

После травления защитный рисунок с фольги смывается.

Механический способ

Механический способ изготовления предполагает использование фрезерно-гравировальных станков или других инструментов для механического удаления слоя фольги с заданных участков.

Лазерная гравировка

До недавнего времени лазерная гравировка печатных плат была слабо распространена в связи с хорошими отражающими свойствами меди на длине волны наиболее распространенных мощных газовых СО лазеров. В связи с прогрессом в области лазеростроения сейчас начали появляться промышленные установки прототипирования на базе лазеров.

Металлизация отверстий

Переходные и монтажные отверстия могут сверлиться, пробиваться механически (в мягких материалах типа гетинакса) или лазером (очень тонкие переходные отверстия). Металлизация отверстий обычно выполняется химическим или механическим способом.

Механическая металлизация отверстий выполняется специальными заклепками, пропаянными проволочками или заливкой отверстия токопроводящим клеем. Механический способ дорог в производстве и потому применяется крайне редко, обычно в высоконадежных штучных решениях, специальной сильноточной технике или радиолюбительских условиях.

При химической металлизации в фольгированной заготовке сначала сверлятся отверстия, затем они металлизируются и только потом производится травление фольги для получения рисунка печати. Химическая металлизация отверстий - многостадийный сложный процесс, чувствительный к качеству реактивов и соблюдению технологии. Поэтому в радиолюбительских условиях практически не применяется. Упрощенно состоит из таких этапов:

• Нанесение на диэлектрик стенок отверстия проводящей подложки. Эта подложка очень тонкая, непрочная. Наносится химическим осаждением металла из нестабильных соединений, таких как хлорид палладия .
• На полученную основу производится электролитическое или химическое осаждение меди.
• В конце производственного цикла для защиты довольно рыхлой осажденной меди применяется либо горячее лужение либо отверстие защищается лаком (паяльной маской). Нелуженые переходные отверстия низкого качества являются одной из самых частых причин отказа электронной техники.

Прессование многослойных плат

Многослойные платы (с числом слоев металлизации более 2) собираются из стопки тонких двух- или однослойных печатных плат, изготовленных традиционным способом (кроме наружных слоев пакета - их пока оставляют с нетронутой фольгой). Их собирают «бутербродом» со специальными прокладками (препреги). Далее выполняется прессование в печи, сверление и металлизация переходных отверстий. В последнюю очередь делают травление фольги внешних слоев.

Переходные отверстия в таких платах могут также делаться до прессования. Если отверстия делаются до прессования, то можно получать платы с так называемыми глухими отверстиями (когда отверстие есть только в одном слое бутерброда), что позволяет уплотнить компоновку.

Нанесение покрытий

Возможны такие покрытия как:

• Защитно-декоративные лаковые покрытия («паяльная маска»). Обычно имеет характерный зелёный цвет.
• Лужение. Защищает поверхность меди, увеличивает толщину проводника, облегчает монтаж компонентов. Обычно выполняется погружением в ванну с припоем или волной припоя.
• Гальваническое покрытие фольги инертными металлами (золочение, палладирование) и токопроводящими лаками для улучшения контактных свойств разъемов и мембранных клавиатур .
• Декоративно-информационные покрытия (маркировка). Обычно наносится с помощью шелкографии , реже - струйным методом или лазером.

Механическая обработка

На одном листе заготовки зачастую помещается множество отдельных плат. Весь процесс обработки фольгированной заготовки они проходят как одна плата и только в конце их готовят к разделению. Если платы прямоугольные, то фрезеруют несквозные канавки, облегчающие последующее разламывание плат (скрайбирование, от англ. scribe царапать). Если платы сложной формы, то делают сквозную фрезеровку, оставляя узкие мостики чтобы платы не рассыпались. Для плат без металлизации вместо фрезеровки иногда сверлят ряд отверстий с маленьким шагом. Сверление крепежных (неметаллизированных) отверстий также происходит на этом этапе.

См. также: ГОСТ 23665-79 Платы печатные. Обработка контура. Требования к типовым технологическим процессам.

По типовому техпроцессу отделение плат от заготовки происходит уже после монтажа компонентов.

Монтаж компонентов

Пайка является основным методом монтажа компонентов на печатные платы. Пайка может выполняться как вручную паяльником так и с помощью специально разработанных специфических технологий.

Пайка волной

Основной метод автоматизированной групповой пайки для выводных компонентов. С помощью механических активаторов создается длинная волна расплавленного припоя. Плату проводят над волной так чтобы волна едва коснулась нижней поверхности платы. При этом выводы заранее установленных выводных компонентов смачиваются волной и припаиваются к плате. Флюс наносится на плату губчатым штемпелем.

Пайка в печах

Основной метод групповой пайки планарных компонентов. На контактные площадки печатной платы через трафарет наносится специальная паяльная паста (порошок припоя в пастообразном флюсе). Затем устанавливаются планарные компоненты. Затем плату с установленными компонентами подают в специальную печь, где флюс паяльной пасты активизируется, а порошок припоя плавится, припаивая компонент.

Если такой монтаж компонентов выполняется с двух сторон, то плата подвергается этой процедуре дважды - отдельно для каждой стороны монтажа. Тяжелые планарные компоненты устанавливаются на капельки клея, которые не позволяют им упасть с перевернутой платы во время второй пайки. Легкие компоненты удерживаются на плате за счет поверхностного натяжения припоя.

После пайки плату обрабатывают растворителями с целью удаления остатков флюса и других загрязнений, либо, при использовании безотмывочной паяльной пасты, плата готова сразу для некоторых условий эксплуатации.

Установка компонентов

Установка компонентов может выполняться как вручную так и на специальных автоматах-установщиках. Автоматическая установка уменьшает вероятность ошибки и значительно ускоряет процесс (лучшие автоматы устанавливают несколько компонентов в секунду).

Финишные покрытия

После пайки печатную плату с компонентами покрывают защитными составами: гидрофобизаторами, лаками, средствами защиты открытых контактов.

Сходные технологии

Подложки гибридных микросхем представляют собой нечто похожее на керамическую печатную плату, однако обычно используют другие техпроцессы:

• шелкографическое нанесение рисунка проводников металлизированной пастой с последующим спеканием пасты в печи. Технология позволяет многослойную разводку проводников благодаря возможности нанесения на слой проводников слоя изолятора теми же шелкографическими методами.
• Осаждение металла через трафарет.

Что представляет из себя печатная плат а ?

Печатная плат а или плат а , представляет собой пластину или панель состоящее из одного или двух проводящих рисунков, расположенных на поверхности диэлектрического основания, или из системы проводящих рисунков, расположенных в объеме и на поверхности диэлектрического основания, соединенных между собой в соответствии с принципиальной электрической схемой, предназначенное для электрического соединения и механического крепления устанавливаемых на нем изделий электронной техники, квантовой электроники и электротехнических изделий - пассивных и активных электронных компонентов.

Самый простой печатной плат ой является плат а , которая содержит медные проводники на одной из сторон печатной плат ы и связывает элементы проводящего рисунка только на одной из ее поверхностей. Такие плат ы известны как однослойные печатной плат ы или односторонние печатные плат ы (сокращенно - ОПП ).

На сегодняшний день, самые популярные в производстве и наиболее распространенные печатные плат ы , которые содержат два слоя, то есть, содержащие проводящий рисунок с обеих сторон плат ы – двухсторонни (двухслойные) печатные плат ы (сокращённо ДПП ). Для соединения проводников между слоями используются сквозные монтаж ные и переходные металлизированные отверстия. Тем не менее, в зависимости от физической сложности конструкции печатной плат ы , когда разводка проводников на двусторонней плат е становится слишком сложной, на производстве заказ ывается многослойные печатные плат ы (сокращённо МПП ), где проводящий рисунок формируется не только на двух внешних сторонах плат ы , но и во внутренних слоях диэлектрика. В зависимости от сложности, многослойные печатные плат ы могут быть изготовлены из 4,6, ….24 или более слоев.

Для монтаж а электронных компонентов на печатные плат ы , необходима технологическая операция - пайка, применяемая для получения неразъёмного соединения деталей из различных металлов путём введения между контактами деталей расплавленного металла - припоя, имеющего более низкую температуру плавления, чем материалы соединяемых деталей. Спаиваемые контакты деталей, а также припой и флюс вводятся в соприкосновение и подвергаются нагреву с температурой выше температуры плавления припоя, но ниже температуры плавления спаиваемых деталей. В результате, припой переходит в жидкое состояние и смачивает поверхности деталей. После этого нагрев прекращается, и припой переходит в твёрдую фазу, образуя соединение. Этот процесс можно сделать вручную или с помощью специализированной техники.

Перед пайкой, компоненты размещаются на печатной плат е выводами компонентов в сквозные отверстия плат ы и припаиваются к контактным площадкам и/или металлизированной внутренней поверхности отверстия – т.н. технология монтаж а в отверстия (THT Through Hole Technology - технология монтаж а в отверстия или др. словами - штыревой монтаж или DIP-монтаж ). Так же, все большее распространение, в особенности, в массовом и крупносерийном производстве, получила более прогрессивная технология поверхностного монтаж а - также называемая ТМП (технология монтаж а на поверхность) или SMT (surface mount technology) или SMD-технология (от surface mount device – прибор, монтируемый на поверхность). Основным ее отличием от «традиционной» технологии монтаж а в отверстия является то, что компоненты монтируются и паяются на контактные площадки (англ. land), являющиеся частью проводящего рисунка на поверхности печатной плат ы . В технологии поверхностного монтаж а , как правило, применяются два метода пайки: пайка оплавлением припойной пасты и пайка волной. Основное преимущество метода пайки волной – возможность одновременной пайки компонентов, монтируемых как на поверхность плат ы , так и в отверстия. При этом пайка волной является самым производительным методом пайки при монтаж е в отверстия. Пайка оплавлением основана на применении специального технологического материала – паяльной пасты. Она содержит три основных составляющих: припой, флюс (активаторы) и органические наполнители. Паяльная паста наносится на контактные площадки либо с помощью дозатора, либо через трафарет , затем устанавливаются электронные компоненты выводами на паяльную пасту и далее, процесс оплавления припоя, содержащегося в паяльной пасте, выполняется в специальных печах путем нагрева печатной плат ы с компонентами.

Для избежания и/или предотвращения случайного короткого замыкания проводников из разных цепей в процессе пайки, производители печатных плат применяют защитную паяльную маску (англ. solder mask; она же «зеленка») – слой прочного полимерного материала, предназначенного для защиты проводников от попадания припоя и флюса при пайке, а также от перегрева. Паяльная маска закрывает проводники и оставляет открытыми контактные площадки и ножевые разъемы. Наиболее распространенные цвета паяльной маски, используемые в печатных плат а х - зеленый, затем красный и синий. Следует иметь в виду, что паяльная маска не защищает плат у от влаги в процессе эксплуатации плат ы и для влагозащиты используются специальные органические покрытия.

В наиболее популярных программах систем автоматизированного проектирования печатных плат и электронных приборов (сокращённо САПР - CAM350, P-CAD, Protel DXP, SPECCTRA, OrCAD, Allegro , Expedition PCB, Genesis), как правило, существуют правила, связанные с паяльной маской. Эти правила определяют расстояние/отступ, которое необходимо соблюсти, между краем паяемой площадки и границей паяльной маски. Эта концепция иллюстрируется на рисунке 2 (а).

Шелкография или маркировка.

Маркировка (англ. Silkscreen, legend) является процессом, в котором производитель наносит информацию о электронных компонентах и которая способствует облегчить процесс сборки, проверки и ремонта. Как правило, маркировка наносится для обозначения контрольных точек, а также положения, ориентации и номинала электронных компонентов. Также она может быть использована для любых целей конструктора печатных плат , например, указать название компании, инструкцию по настройке (это широко используется в старых материнских плат а х персональных компьютеров) и др. Маркировку можно наносить на обе стороны плат ы и ее, как правило, наносят методом сеткографии(шелкография) специальной краской (с термическим или УФ отверждением) белого, желтого или черного цвета. На рисунке 2 (b) показаны обозначение и область расположения компонентов, выполненные маркировкой белого цвета.

Структура слоев в САПР

Как уже отмечалось в начале этой статьи, печатные плат ы могут быть сделаны из нескольких слоев. Когда печатная плат а разработана с помощью САПР, часто можно увидеть в структуре печатной плат ы несколько слоев, которые не соответствуют необходимым слоям с разводкой из проводящего материала (меди). Например, слои с маркировкой и паяльной маской являются непроводящими слоями. Наличие проводящих и непроводящих слоев может привести к путанице, так как производители используют термин слой, когда они имеют в виду только токопроводящие слои. С этого момента, мы будем использовать термин «слои» без «САПР», только когда речь идет о проводящих слоях. Если мы используем термин «слои САПР» мы имеем в виду все виды слоев, то есть проводящие и непроводящие слои.

Структура слоев в САПР:

На рисунке 3. показаны три различных структур слоев. Оранжевый цвет подчеркивает проводящие слои в каждой структуре. Высота структуры или толщина печатной плат ы может варьироваться в зависимости от назначения, однако наиболее часто используется толщина 1,5мм.

Типы корпусов электронных компонентов

Сегодня на рынке присутствует большое разнообразие типов корпусов электронных компонентов. Обычно, для одного пассивного или активного элемента существует несколько типов корпусов. Например, вы можете найти одну и ту же микросхему и в корпусе QFP (от англ. Quad Flat Package - семейство корпусов микросхем, имеющих планарные выводы, расположенные по всем четырём сторонам) и в корпусе LCC (от англ. Leadless Chip Carrier - представляет собой низкопрофильный квадратный керамический корпус с расположенными на его нижней части контактами).

В основном существует 3 больших семейств электронных корпусов:

Контактная площадка печатной плат ы (англ. land)

Контактная площадка печатной плат ы - часть проводящего рисунка печатной плат ы , используемая для электрического подсоединения устанавливаемых изделий электронной техники. Контактная площадка печатной плат ы представляет собой открытые от паяльной маски части медного проводника, куда и припаиваются выводы компонентов. Есть два типа площадок – контактные площадки монтаж ных отверстий для монтаж а в отверстия и планарные площадки для поверхностного монтаж а - SMD площадки. Иногда, SMD площадки с переходным отверстием очень похожи на площадки для монтаж а в отверстия.

На рисунке 4 представлены контактные площадки для 4х разных электронных компонентов. Восемь для IC1 и две для R1 SMD площадки, соответственно, а так же три площадки с отверстиями для Q1 и PW электронных компонентов.

Медные проводники

Медные проводники используется для подключения двух точек на печатной плат е -например, для подключения между двумя SMD площадками (рисунок 5.), или для подключения SMD площадки к площадке монтаж ного отверстия или для соединения двух переходных отверстия.

Проводники могут иметь разную, рассчитанную ширину в зависимости от токов, протекающих через них. Так же, на высоких частотах, необходимо рассчитывать ширину проводников и зазоры между ними, так как сопротивление, емкость и индуктивность системы проводников зависит от их длинны, ширины и их взаимного расположения.

Сквозные металлизированные переходные отверстие печатной плат ы

Когда надо соединить компонент, который находится на верхнем слое печатной плат ы с компонентом, который находится на нижнем слое, применяются сквозные металлизированные переходные отверстия, которые соединяют элементы проводящего рисунка на разных слоях печатной плат ы . Эти отверстия, позволяют току проходить сквозь печатную плат у. На рисунке 6 показаны два проводника, которые начинаются на площадках компонентов на верхнем слое и заканчивается на площадках другого компонента на нижнем слое. Для каждого проводника установлено свое переходное отверстие, проводящее ток из верхнего слоя на нижний слой.

Рисунок 6. Соединение двух микросхем через проводники и переходные металлизированные отверстия на разных сторонах печатной плат ы

На рисунке 7 более детально дано представление о поперечном сечении 4-слойных печатных плат . Здесь цветами обозначены следующие слои:

На модели печатной плат ы , на рисунке 7 показан проводник (красный), который принадлежит к верхнему проводящему слою, и который проходит сквозь плат у с помощью сквозного переходного отверстия, а затем продолжает свой путь по нижнему слою(синий).

Рисунок 7. Проводник из верхнего слоя, проходящий через печатную плат у и продолжающий свой путь на нижнем слое.

«Глухое» металлизированное отверстие печатной плат ы

В HDI (High Density Interconnect - высокая плотность соединений) печатных плат а х, необходимо использовать более чем два слоя, как это показано на рисунке 7. Как правило, в многослойных конструкциях печатной плат ы , на которых устанавливаются много интегральных микросхем, используются отдельные слои для питания и земли (Vcc или GND), и таким образом, наружные сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников. Также бывают случаи, что сигнальные проводники должны переходить от внешнего слоя (сверху или снизу) по наименьшему пути, что бы обеспечить необходимое волновое сопротивление, требования по гальванической развязке и заканчивая требованиями на устойчивость к электростатическому разряду. Для таких видов соединений используются глухие металлизированные отверстие (Blind via - «глухие» или «слепые»). Имеются в виду отверстия, соединяющие наружный слой с одним или несколькими внутренними, что позволяет сделать подключение минимальным по высоте. Глухое отверстие начинается на внешнем слое и заканчивается на внутреннем слое, поэтому оно имеет префикс «глухое».

Чтобы узнать, какое отверстие присутствует на плат е, вы можете поместить печатную плат у над источником света и посмотреть - если вы видите свет, идущий от источника через отверстие, то это переходное отверстие, в противном случае глухое.

Глухие переходные отверстия полезно использовать в конструкции плат ы , когда вы ограничены в размерах и имеете слишком мало места для размещения компонентов и разводки сигнальных проводников. Вы можете разместить электронные компоненты с обеих сторон и максимально увеличить пространство под разводку и другие компоненты. Если переходы сделаны через сквозные отверстие, а не глухие, понадобиться дополнительное пространство для отверстий т.к. отверстие занимает место с обеих сторон. В то же время глухие отверстия могут находиться под корпусом микросхемы – например для разводки больших и сложных BGA компонентов.

На рисунке 8 показаны три отверстия, которые являются частью четырехслойной печатной плат ы . Если смотреть слева направо, то первое мы увидим сквозное отверстие через все слои. Второе отверстие начинается в верхнем слое и заканчивается на втором внутреннем слое - глухое переходное отверстия L1-L2. Наконец, третье отверстие, начинается в нижнем слое и заканчивается в третьем слое, поэтому мы говорим, что это глухое переходное отверстия L3-L4.

Основным недостатком этого типа отверстия, является более высокая цена изготовления печатной плат ы с глухими отверстиями, по сравнению с альтернативными сквозными отверстиями.

Скрытые переходные отверстия

Англ. Buried via - «скрытые», «погребенные», «встроенные». Эти переходные отверстия похожи на глухие, с той разницей, что они начинаются и заканчиваются на внутренних слоях. Если мы посмотрим на рисунок 9 слева направо, мы увидим, что первое отверстие сквозное через все слои. Второе представляет собой глухое переходное отверстия L1-L2, а последнее является, скрытое переходное отверстие L2-L3, которое начинается на втором слое и заканчивается на третьем слое.

Рисунок 9. Сравнение переходного сквозного отверстие, глухого отверстия и скрытого отверстия.

Технология изготовления глухих и скрытых переходных отверстий

Технология изготовления таких отверстий может быть различной, в зависимости от той конструкции, которую заложил разработчик, и в зависимости от возможностей завод а-изготовителя. Мы будем выделять два основных вида:

Отверстие сверлится в двусторонней заготовке ДПП , металлизируется, травиться и затем эта заготовка, по сути готовая двухслойная печатная плат а , прессуется через препрег в составе многослойной заготовки печатной плат ы . Если эта заготовка находиться сверху «пирога» МПП , то мы получаем глухие отверстия, если в середине, то - скрытые переходные отверстия.

1. Отверстие сверлится в спрессованной заготовке МПП , глубина сверления контролируется, что бы точно попасть в площадки внутренних слоев, и затем происходит металлизация отверстия. Таким образом мы получаем только глухие отверстия.

В сложных конструкциях МПП могут применяться комбинации вышеперечисленных видов отверстий – рисунок 10.

Рисунок 10. Пример типовой комбинации видов переходных отверстий.

Заметим, что применение глухих отверстий иногда может привести к удешевлению проекта в целом, за счет экономии на общем количестве слоев, лучшей трассируемости, уменьшения размера печатной плат ы , а также возможности применить компоненты с более мелким шагом. Однако в каждом конкретном случае решение об их применении следует принимать индивидуально и обоснованно. Однако не следует злоупотреблять сложностью и многообразием видов глухих и скрытых отверстий. Опыт показывает, что при выборе между добавлением в проект еще одного вида несквозных отверстий и добавлением еще одной пары слоев правильнее будет добавить пару слоев. В любом случае, конструкция МПП должна быть спроектирована с учетом того, как именно она будет реализована в производстве.

Финишные металлические защитные покрытия

Получение правильных и надежных паяных соединений в электронном оборудовании зависит от многих конструктивных и технологических факторов, включая должный уровень паяемости соединяемых элементов, таких как компоненты и печатные проводники. Для сохранения паяемости печатных плат до монтаж а электронных компонентов, обеспечения плоскостности покрытия и для надежного монтаж а паяных соединений необходимо защищать медную поверхность контактных площадок печатной плат ы от окисления, так называемым финишным металлическим защитным покрытием.

При взгляде на разные печатные плат ы , можно заметить, что контактные площадки почти не когда не имеют цвет меди, зачастую и в основном это серебристые цвета, блестящий золотой или матовый серый. Эти цвета и определяют типы финишных металлических защитных покрытий.

Наиболее распространенным методом защиты паяемых поверхностей печатных плат является покрытие медных контактных площадок слоем серебристого сплава олово-свинеца (ПОС-63) - HASL. Большинство изготавливаемых печатных плат защищены методом HASL. Горячее лужение HASL - процесс горячего облуживания плат ы , методом погружения на ограниченное время в ванну с расплавленным припоем и при быстрой выемке обдувкой струей горячего воздуха, убирающей излишки припоя и выравнивающей покрытие. Это покрытие доминирует в течение нескольких последних лет, несмотря на его серьезные технические ограничения. Плат ы , выпущенные таким способом, хотя и хорошо сохраняют паяемость в течение всего периода хранения, непригодны для некоторых применений. Высокоинтегрированные элементы, используемые в SMT технологиях монтаж а , требуют идеальной планарности (плоскостности) контактных площадок печатных плат . Традиционные покрытия HASL не соответствуют требованиям планарности.

Технологии нанесения покрытий, соответствующие требованиям планарности, это наносимое химическими методами покрытия:

Иммерсионное золочение (Electroless Nickel / Immersion Gold - ENIG), представляющее собой тонкую золотую пленку, наносимую поверх подслоя никеля. Функция золота - обеспечивать хорошую паяемость и защищать никель от окисления, а сам никель служит барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди. Это покрытие гарантирует превосходную планарность контактных площадок без повреждения печатных плат , обеспечивает достаточную прочность паяных соединений, выполненных припоями на основе олова. Их главный недостаток - высокая себестоимость производства.

Иммерсионное олово (Immersion Tin - ISn) – серое матовое химическое покрытие, обеспечивающее высокую плоскостность печатных площадок плат ы и совместимое со всеми способами пайки, нежели ENIG. Процесс нанесения иммерсионного олова, схож с процессом нанесения иммерсионного золота. Иммерсионное олово обеспечивает хорошую паяемость после длительного хранения, которое обеспечивается введением подслоя органометалла в качестве барьера между медью контактных площадок и непосредственно оловом. Однако, плат ы , покрытые иммерсионным оловом, требуют осторожного обращения, должны хранится в вакуумной упаковке в шкафах сухого хранения и плат ы с этим покрытием не пригодны для производства клавиатур/сенсорных панелей.

При эксплуатации компьютеров, устройств с ножевыми разъемами, контакты ножевых разъемов, подвергаются трению при эксплуатации плат ы , поэтому, концевые контакты, гальваническим способом покрывают более толстым и более жестким слоем золота. Гальваническое золочение ножевых разъёмов (Gold Fingers) - покрытие семейства Ni/Au, толщина покрытия: 5 -6 Ni; 1,5 – 3 мкм Au. Покрытие наносится электрохимическим осаждением (гальваника) и используется в основном для нанесения на концевые контакты и ламели. Толстое, золотое покрытие имеет высокую механическую прочность, стойкость к истиранию и неблагоприятному воздействию окружающей среды. Незаменимо там, где важно обеспечить надежный и долговечный электрический контакт.

Сейчас большинство электронных схем выполняются с помощью печатных плат. По технологиям изготовления печатных плат выполняются и сборные узлы микроэлектроники - гибридные модули, которые содержат компоненты различного функционального назначения и степени интеграции. Многослойные печатные платы и электронные компоненты высокой степени интеграции позволяют снизить весогабаритные характеристики узлов электроники и вычислительной техники. Сейчас печатной плате уже больше ста лет.

Печатная плата

Это (на англ. PCB - printed circuit board) - пластинка из электроизоляционного материала (гетинакса, текстолита, стеклотекстолита и других подобных диэлектриков), на поверхности которой каким-либо образом нанесены тонкие электропроводящие полоски (печатные проводники) с контактными площадками для подсоединения навесных радиоэлементов, в том числе модулей и интегральных схем. Эта формулировка дословно взята из политехнического словаря.

Существует более универсальная формулировка:

Под печатной платой понимается конструкция фиксированных электрических межсоединений на изоляционном основании.

Главные конструктивные элементы печатной платы - диэлектрическое основание (жесткое или гибкое) на поверхности которое находятся проводники. Диэлектрическое основание и проводники есть элементы необходимы и достаточны для того, чтобы печатная плата была печатной платой. Для установки компонентов и их подключения к проводникам используются дополнительные элементы: контактные площадки, переходные металлизируемые и монтажные отверстия, ламели разъемов, участки для осуществления теплоотвода, экранирующие и токоподводящие поверхности и т. п.

Переход к печатным платам ознаменовал качественный скачок в области конструирования радиоэлектронной аппаратуры. Печатная плата совмещает функции носителя радиоэлементов и электрического соединения таких элементов. Последняя функция невыполнима, если между проводниками и иными проводящими элементами печатной платы не будет обеспечен достаточный уровень сопротивления изоляции. Следовательно, подложка печатной платы должна выполнять функцию изолятора.

Историческая справка

В 1920-1930-х годах было выдано множество патентов на конструкции печатных плат и способы их изготовления. Первые методы изготовления печатных плат оставались преимущественно аддитивными (развитие идей Томаса Эдисона). Но в современном виде печатная плата появилась благодаря использованию технологий, заимствованных из полиграфической промышленности. Печатная плата - прямой перевод с английского полиграфического термина printing plate («печатная форма», или «матрица»). Поэтому подлинным «отцом печатных плат» считается австрийский инженер Пауль Эйслер. Он первым пришел к выводу, что полиграфические (субтрактивные) технологии можно использовать для массового производства печатных плат. В субтрактивных технологиях изображение формируется путем удаления ненужных фрагментов. Пауль Эйслер отработал технологию гальванического осаждения медной фольги и ее травления хлорным железом. Технологии массового производства печатных плат оказались востребованными уже во время Второй мировой войны. А с середины 1950-х началось становление печатных плат как конструктивной основы радиоаппаратуры не только военного, но и бытового назначения.

Материалы для печатных плат

Базовые диэлектрики для печатных плат

Знание параметров материалов для печатных плат, как однослойных так и многослойных важно всем кто занимается их применение, особенно для печатных плат устройств с повышенным быстродействием и СВЧ. При проектировании МПП разработчики сталкиваются с такими задачами, как:
- расчет волнового сопротивления проводников на плате;
- расчет величины межслойной высоковольтной изоляции;
- выбор структуры глухих и скрытых отверстий.
Доступные варианты и толщины различных материалов приведены в таблицах 2–6. Следует учитывать, что допуск на толщину материала обычно составляет до ±10%, поэтому и допуск на толщину готовой многослойной платы не может быть менее ±10%.

Tg - температура стеклования (разрушения структуры)

Dk - диэлектрическая постоянная

Базовые диэлектрики для печатных плат СВЧ

Типовые конструкции печатных плат основаны на применении стандартного стеклотекстолита типаFR4 , с рабочей температурой от –50 до +110 °C, и температурой стеклования Tg (размягчения) около 135 °C.
При повышенных требованиях к термостойкости или при монтаже плат в печи побессвинцовой технологии(t до 260 °C) применяется высокотемпературныйFR4 High Tg илиFR5 .
При требованиях к постоянной работе на высоких температурах или при резких перепадах температур применяетсяполиимид . Кроме того, полиимид используют для изготовления плат повышенной надежности, для военных применений, а также в случаях, когда требуется повышенная электрическая прочность.
Для плат сСВЧ-цепями (более 2 ГГц) применяются отдельные слоиСВЧ-материала , или плата целиком делается из СВЧ-материала. Наиболее известные поставщики специальных материалов - фирмыRogers,Arlon,Taconic,Dupont. Стоимость этих материалов выше, чем FR4, и условно показана в предпоследнем столбце таблицы относительно стоимости FR4.

* Dk - диэлектрическая проницаемость

Dk - диэлектрическая проницаемость

Покрытия площадок печатной платы

Наиболее часто площадки покрываются сплавом олово-свинец, или ПОС. Способ нанесения и выравнивания поверхности припоя называют HAL или HASL (от английского Hot Air Solder Leveling - выравнивание припоя горячим воздухом). Это покрытие обеспечивает наилучшую паяемость площадок. Однако на смену ему приходят более современные покрытия, как правило, совместимые с требованиями международной директивы RoHS.

Эта директива требует запретить присутствие вредных веществ, в том числе свинца, в продукции. Пока что действие RoHS не распространяется на территорию нашей страны, однако помнить о ее существовании небесполезно.

Возможными вариантами покрытия площадок МПП в таблице 7.

HASL применяется повсеместно, если нет иных требований.

Иммерсионное (химическое) золочение используется для обеспечения более ровной поверхности платы (особенно это важно для площадок BGA), однако имеет несколько более низкую паяемость. Пайка в печи выполняется примерно по той же технологии, что и HASL, но ручная пайка требует применения специальных флюсов. Органическое покрытие, или OSP, защищает поверхность меди от окисления. Его недостаток - малый срок сохранения паяемости (менее 6 месяцев).

Иммерсионное олово обеспечивает ровную поверхность и хорошую паяемость, хотя тоже имеет ограниченный срок пригодности для пайки. Бессвинцовый HAL имеет те же свойства, что и свинец-содержащий, но состав припоя - примерно 99,8% олова и 0,2% добавок.

Контакты ножевых разъемов , подвергающихся трению при эксплуатации платы, гальваническим способом покрывают более толстым и более жестким слоем золота. Для обоих видов золочения применяется никелевый подслой для предотвращения диффузии золота.

Примечание: все покрытия, кроме HASL, совместимы с директивой RoHS и подходят для пайки припоями не содержащими свинца.

Защитные и другие виды покрытий печатной платы

Защитные покрытия применяются для изоляции поверхностей токопроводов не предназначенных для пайки.

Для полноты картины рассмотрим функциональное назначение и материалы покрытий печатной платы.

1. Паяльная маска - наносится на поверхность платы для защиты проводников от случайного замыкания и грязи, а также для защиты стеклотекстолита от термоударов при пайке. Маска не несет другой функциональной нагрузки и не может служить защитой от влаги, плесени, пробоя и т. д. (за исключением случаев применения специальных видов масок).
2. Маркировка - наносится на плату краской поверх маски для упрощения идентификации самой платы и расположенных на ней компонентов.
3. Отслаиваемая маска - наносится на заданные участки платы, которые надо временно защитить, например, от пайки. В дальнейшем ее легко удалить, так как она представляет собой резиноподобный компаунд и просто отслаивается.
4. Карбоновое контактное покрытие - наносится в определенные места платы как контактные поля для клавиатур. Покрытие имеет хорошую проводимость, не окисляется и износостойко.
5. Графитовые резистивные элементы - могут наноситься на поверхность платы для выполнения функции резисторов. К сожалению, точность выполнения номиналов невысока - не точнее ±20% (с лазерной подгонкой- до 5%).
6. Серебряные контактные перемычки - могут наноситься как дополнительные проводники, создавая еще один проводящий слой при недостатке места для трассировки. Применяются в основном для однослойных и двусторонних печатных плат.

Конструкция печатных плат

Самый далекий предшественник печатных плат - обычный провод, чаще всего изолированный. У него был существенный недостаток. В условиях высоких вибраций он требовал применения дополнительных механических элементов для его фиксации внутри РЭА. Для этого применялись носители, на которые устанавливались радиоэлементы, сами радиоэлементы и конструктивные элементы для промежуточных соединений, фиксации проводов. Это объемный монтаж.

Печатные платы свободны от этих недостатков. Их проводники закреплены на поверхности, их положение фиксировано, что позволяет просчитывать их взаимные связи. В принципе печатные платы, сейчас приближаются, к плоским конструкциям.

На начальном этапе применения, печатные платы имели одностороннее или двухстороннее расположение проводящих дорожек.

Односторонняя печатная плата - это пластина, на одной стороне которой размещены проводники, выполненные печатным способом. В двухсторонних печатных платах проводники заняли и пустующую изнаночную сторону пластины. А для их соединения были предложены разнообразные варианты, среди которых наибольшее распространение получили переходные металлизированные отверстия. Фрагменты конструкции самых простых односторонних и двухсторонних печатных плат приведены на рис. 1.

Двухсторонняя печатная плата - их использование вместо односторонних было первым шагом на пути перехода от плоскости к объему. Если абстрагироваться (мысленно отбросить подложку двухсторонней печатной платы), то получится объемная конструкция проводников. Кстати, этот шаг был сделан довольно быстро. В заявке Альберта Хансона уже указывалось на возможность размещения проводников по обеим сторонам подложки и соединения их с помощью сквозных отверстий.

Рис. 1. Фрагменты конструкции печатных плат а) односторонней и 6) двухсторонней: 1 - монтажное отверстие,2 - контактная площадка, 3 - проводник,4 - диэлектрическая подложка,5 - переходное металлизированное отверстие

Дальнейшее развитие электроники - микроэлектроники привело к применению многовыводных компонентов (чипы могут иметь более 200 выводов), росло количество электронных компонентов. В свою очередь применение цифровых микросхем и рост их быстродействия привели к росту требований по их экранированию и распределению питания к компонентам, для чего в мнослойные платы цифровых устройств (например - компьютеров) были включены специальные экранирующие токопроводящие слои. Все это привело к росту межсоединений и их усложнению, которое выразилось в росте количества слоев. В современных печатных платах оно может быть много больше десяти. В некотором смысле многослойная печатная плата приобрела объем.

Конструкция многослойных печатных плат

В первом, наиболее распространенном, варианте внутренние слои платы формируются из двустороннего ламинированного медью стеклотекстолита, который называют «ядро». Наружные слои выполняются из медной фольги, спрессованной с внутренними слоями при помощи связующего - смолистого материала, называемого «препрег». После прессования при высокой температуре образуется «пирог» многослойной печатной платы, в котором далее сверлятся и металлизируются отверстия. Менее распространен второй вариант, когда внешние слои формируются из «ядер», скрепляемых препрегом. Это упрощенное описание, на основе данных вариантов существует множество других конструкций. Однако основной принцип состоит в том, что в качестве связующего материала между слоями выступает препрег. Очевидно, что не может быть ситуации, когда соседствуют два двусторонних «ядра» без прокладки из препрега, но структура фольга–препрег–фольга– препрег… и т. д. возможна, и часто используется в платах со сложными сочетаниями глухих и скрытых отверстий.

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

Схематически (упрощенно) фрагмент конструкции современной многослойной печатной платы приведен на рис. 2. Проводники в таких печатных платах размещаются не только на поверхности, но и в объеме подложки. При этом сохранилась слойность расположения проводников относительно друг друга (следствие использования планарных полиграфических технологий). Слойность неизбежно присутствует в названиях печатных плат и их элементов - односторонняя, двухсторонняя, многослойная и др. Слойность реально отражает конструктив и соответствующие этому конструктиву технологии изготовления печатных плат.

Рис. 2. Фрагмент конструкции многослойной печатной платы:1 - сквозное металлизированное отверстие, 2 - глухой микропереход, 3 - скрытый микропереход, 4 - слои,5 - скрытые межслойные отверстия, 6 - контактные площадки

Реально конструкция многослойных печатных плат отличается от показанных на рис. 2.

По своей структуре МПП значительно сложнее двухсторонних плат, как много сложнее и технология их производства. Да и сама их структура существенно отличается от показанной на рис. 2. Они включают дополнительные экранные слои (земля и питание), а также несколько сигнальных слоев.

Реально они выглядят так:

a) Схематически	Для обеспечения коммутации между слоями МПП применяются межслойные переходы (vias) и микропереходы (microvias) рис. 3.а. 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. Специально для поверхностного монтажа разработаны микропереходы, соединяющие между собой контактные площадки и сигнальные слои.
в) для наглядности в 3D виде	Для изготовления многослойных печатных плат производится соединение нескольких ламинированных фольгой диэлектриков между собой, для чего используются склеивающие прокладки - препреги. На рисунке 3.в препрег показан белым цветом. Препрег склеивает слои многослойной печатной платы при термическом прессовании. Общая толщина многослойных печатных плат растет непропорционально быстро с ростом числа сигнальных слоев. В связи с этим необходимо учитывать большое соотношение толщины платы к диаметру сквозных отверстий, что является весьма жестким параметром для процесса сквозной металлизации отверстий. Тем не менее, даже учитывая трудности с металлизацией сквозных отверстий малого диаметра, изготовители многослойных печатных плат предпочитают достигать высокой плотности монтажа за счет большего числа относительно дешевых слоев, нежели меньшим числом высокоплотных но, соответственно, более дорогих слоев.
с) Рисунок 3	На рисунке 3.с показана примерная структура расположения слоев многослойной печатной платы с указанием их толщин.

Владимир Уразаев [ Л.12] считает, что развитие конструкций и технологий в микроэлектронике идет в соответствии с объективно существующим законом развития технических систем: задачи, связанные с размещением или перемещением объектов, решаются переходом от точки к линии, от линии к плоскости, от плоскости к трехмерному пространству.

Думаю, что и печатным платам придется подчиниться этому закону. Потенциальная возможность реализации таких многоуровневых (бесконечно уровневых) печатных плат имеется. Об этом свидетельствуют богатый опыт использования в производстве печатных плат лазерных технологий, не менее богатый опыт применения лазерной стереолитографии для формирования трехмерных объектов из полимеров, тенденция к увеличению термостойкости базовых материалов и т. д. Очевидно, такие изделия придется и назвать как-то иначе. Поскольку термин «печатная плата» уже не будет отражать ни их внутреннего содержания, ни технологии изготовления.

Возможно так и будет.

Но мне кажется уже сейчас известны объемные конструкции в проектировании печатных плат - это многослойные печатные платы. А объемный монтаж электронных компонентов с расположением контактных площадок по всем поверхностям радиокомпонентов, снижает технологичность их монтажа, качество межсоединений и усложняет их тестирование и обслуживание.

Будущее покажет!

Гибкие печатные платы

Для большинства людей печатная плата - это просто жесткая пластинка с электропроводящими межсоединеними.

Жесткие печатные платы - самый массовый продукт, используемый в радиоэлектронике, о котором знают практически все.

Но существуют еще и гибкие печатные платы, которые все больше расширяют круг своего применения. Пример - так называемые гибкие печатные кабели (шлейфы). Подобные печатные платы выполняют ограниченный объем функций (исключается функция подложки для радиоэлементов). Они служат для объединения обычных печатных плат, заменяя жгуты. Гибкие печатные платы приобретают эластичность благодаря тому, что их полимерная «подложка» находится в высокоэластическом состоянии. Гибкие печатные платы имеют две степени свободы. Их можно свернуть даже в ленту Мебиуса.

Рисунок 4

Одну или даже две степени свободы, но очень ограниченной свободы, можно придать и обычным жестким печатным платам, в которых полимерная матрица подложки находится в жестком - стеклообразном состоянии. Это достигается путем уменьшения толщины подложки. Одним из преимуществ рельефных печатных плат, изготавливаемых из тонких диэлектриков, называют возможность придания им «округлости». Тем самым появляется возможность согласовать их форму и форму объектов (ракет, космических объектов и др.), в которые их можно поместить. Результат - существенная экономия внутреннего объема изделий.

Их существенный недостаток в том, что с ростом количества слоев снижается гибкость таких печатных плат. А применение обычных негибких комплектующих возникает необходимость фиксировать их форму. Поскольку изгибы таких печатных плат с негибкими компонентами приводят к высоким механическим нагрузкам в точках их соединения с гибкой печатной платой.

Промежуточное положение между жесткими и гибкими печатными платами занимают «древние» печатные платы, состоящие из жестких элементов, складываемых подобно гармошке. Такие «гармошки», вероятно, и навели на мысль о создании многослойных печатных плат. Современные гибко-жесткие печатные платы реализованы иным способом. Речь идет преимущественно о многослойных печатных платах. В них можно совместить жесткие и гибкие слои. Если гибкие слои вывести за пределы жестких, можно получить печатную плату, состоящую из жесткого и гибкого фрагментов. Другой вариант - соединение двух жестких фрагментов гибким.

Классификация конструкций печатных плат, основанная на слойности их проводящего рисунка, охватывает большую часть конструкций печатных плат, но не всех. Например, для изготовления тканых монтажных плат или шлейфов оказалось пригодным не печатное полиграфическое, а ткацкое оборудование. Такие «печатные платы» уже имеют три степени свободы. Так же, как и обычная ткань, они могут принимать самые причудливые очертания и формы.

Печатные платы на основании с высокой теплопроводностью

В последнее время, наблюдается рост тепловыделения электронных устройств, что связано с:

Ростом производительности вычислительных систем,

Потребности коммутации больших мощностей,

Расширяющегося применения электронных компонентов с повышенным тепловыделением.

Последнее наиболее наглядно проявляется в светодиодной светотехнике, где резко вырос интерес к созданию источников света на основе мощных ультраярких светодиодов. Световая эффективность полупроводниковых светодиодов достигла уже 100лм/Вт. Такие ультраяркие светодиоды приходят на смену обычным лампам накаливания и находят свое применение практически во всех областях светотехники: лампы уличного освещения, автомобильная светотехника, дежурное освещение, рекламные вывески, светодиодные панели, индикаторы, бегущие строки, светофоры и т.д. Эти светодиоды стали незаменимы в декоративном освещении, в светодинамических системах благодаря их монохромному цвету и скорости включения. Выгодно их применять и там, где необходимо жестко экономить электроэнергию, где дорого обходится частое обслуживание и где высоки требования по электробезопасности.

Проведенные исследований показывают, что примерно 65-85% электроэнергии при работе светодиода преобразуется в тепло. Однако, при условии соблюдения рекомендованных производителем светодиодов тепловых режимов, срок службы светодиода может достигать 10 лет. Но, если нарушить тепловой режим (обычно это работа с температурой перехода более 120...125°С), срок службы светодиода может упасть в 10 раз! А при грубом несоблюдении рекомендованных тепловых режимов, например, при включении светодиодов типа emitter без радиатора в течение более 5-7 сек, светодиод может выйти из строя уже во время первого включения. Повышение температуры перехода, кроме того, приводит к снижению яркости свечения и смещению рабочей длины волны. Поэтому очень важно правильно рассчитать тепловой режим и, по возможности, максимально рассеять выделяемое светодиодом тепло.

Крупные производители мощных светодиодов, такие как Cree, Osram, Nichia, Luxeon, Seoul Semiconductor, Edison Opto и т.п., уже давно, для упрощения включения и расширения областей применения светодиодов, изготавливают их в виде светодиодных модулей или кластеров на печатных платах с металлическим основанием (в международной классификации IMPCB – Insulated Metal Printed Circuit Board, или AL PCB – печатные платы на алюминиевом основании).

Рисунок 5

Эти печатные платы на аллюминиевом основании имеют малое и фиксированное тепловое сопротивление, что позволяет при их установке на радиатор достаточно просто обеспечить теплоотведение от p-n перехода светодиода и обеспечить его работу в течении всего срока эксплуатации.

В качестве материалов с высокой теплопроводностью для оснований таких печатных плат применяют Медь, Алюминий, различные виды керамики.

Проблемы технологии промышленного производства

История развития технологии производства печатных плат, есть история улучшения качества и преодоления возникающих по ходу развития проблем.

Вот ее некоторые подробности.

Печатные платы, изготавливаемые методом металлизации сквозных отверстий, несмотря на их широчайшее применение, обладают очень серьезным недостатком. С конструктивной точки зрения самое слабое звено таких печатных плат - места соединения металлизированных столбиков в переходных отверстиях и проводящих слоев (контактных площадок). Соединение металлизированного столбика и проводящего слоя идет по торцу контактной площадки. Длина соединения определяется толщиной медной фольги и обычно составляет 35 мкм и менее. Гальванической металлизации стенок переходных отверстий предшествует стадия химической металлизации. Химическая медь в отличие от гальванической меди более рыхлая. Поэтому соединение металлизированного столбика с торцевой поверхностью контактной площадки происходит через промежуточный, более слабый по прочностным характеристикам подслой химической меди. Коэффициент термического расширения стеклотекстолита гораздо больше, чем у меди. При переходе через температуру стеклования эпоксидной смолы разница резко возрастает. При термических ударах, которые по самым разным причинам испытывает печатная плата, соединение подвергается очень большим механическим нагрузкам и... рвется. Как следствие, разрывается электрическая цепь и нарушается работоспособность электрической схемы.

Рис. 6. Межслойные переходы в многослойных печатных платах: а) без подтрава диэлектрика,6) с подтравом диэлектрика 1 - диэлектрик, 2 - контактная площадка внутреннего слоя, 3 - химическая медь,4 - гальваническая медь

Рис. 7. Фрагмент конструкции многослойной печатной платы, изготовленной методом послойного наращивания: 1 - межслойный переход, 2 - проводник внутреннего слоя, 3 - монтажная контактная площадка, 4 - проводник наружного слоя, 5 - диэлектрические слои

В многослойных печатных платах повышения надежности внутренних переходов можно достичь введением дополнительной операции - подтрава (частичного удаления) диэлектрика в переходных отверстиях перед проведением металлизации. В таком случае соединение металлизированных столбиков с контактными площадками осуществляется не только по торцу, но и частично по внешним кольцевым зонам этих площадок (рис. 6).

Более высокой надежности металлизированных переходов многослойных печатных плат удалось добиться при использовании технологии изготовления многослойных печатных плат методом послойного наращивания (рис. 7). Соединения между проводящими элементами печатных слоев в этом способе осуществляются гальваническим наращиванием меди в отверстия слоя изоляции. В отличие от метода металлизации сквозных отверстий в данном случае переходные отверстия заполняются медью целиком. Площадь соединения между проводящими слоями становится гораздо больше, да и геометрия иная. Разорвать такие соединения не так-то просто. И все-таки эта технология тоже далека от идеальной. Переход «гальваническая медь - химическая медь - гальваническая медь» все равно остается.

Печатные платы, изготовленные методом металлизации сквозных отверстий, должны выдерживать не менее четырех (многослойные не менее трех) перепаек. Рельефные печатные платы допускают гораздо большее число перепаек (до 50). По мнению разработчиков, металлизированные переходы в рельефных печатных платах не понижают, а повышают их надежность. Чем же вызван такой резкий качественный скачок? Ответ прост. В технологии изготовления рельефных печатных плат проводящие слои и соединяющие их металлизированные столбики реализуются в едином технологическом цикле (одновременно). Поэтому отсутствует переход «гальваническая медь - химическая медь - гальваническая медь». Но такой высокий результат был получен в результате отказа от самой массовой технологии изготовления печатных плат, в результате перехода к другому конструктиву. Отказаться от метода металлизации сквозных отверстий по многим причинам не желательно.

Как же быть?

Ответственность за образование барьерного слоя на стыке торцов контактных площадок и металлизированных пистонов в основном ложится на технологов. Они же эту проблему смогли и разрешить. Революционные изменения в технологию изготовления печатных плат внесли методы прямой металлизации отверстий, которая исключает стадию химической металлизации, ограничиваясь только предварительной активацией поверхности. Причем процессы прямой металлизации реализуются таким образом, что проводящая пленка возникает только там, где это нужно - на поверхности диэлектрика. Как следствие, барьерный слой в металлизированных переходах печатных плат, изготовленных методом прямой металлизации отверстий, просто отсутствует. Не правда ли, красивый способ разрешения технического противоречия?

Удалось преодолеть и техническое противоречие имеющей отношение к металлизации переходных отверстий. Металлизируемые отверстия могут стать слабым звеном печатных плат по другой причине. Толщина покрытия стенок переходных отверстий в идеале должна быть равномерной по всей их высоте. Иначе вновь возникают проблемы с надежностью. Физ химия процессов нанесения гальванических покрытий противодействует этому. Идеальный и реальный профиль покрытия в металлизируемых переходных отверстиях приведены на рис. 5. Толщина покрытия в глубине отверстия обычно меньше, чем у поверхности. Причины самые разные: неравномерная плотность тока, катодная поляризация, недостаточная скорость обмена электролита и др. В современных печатных платах диаметр переходных металлизируемых отверстий уже перешагнул отметку 100 мкм, а соотношение высоты к диаметру отверстия в отдельных случаях достигает 20:1. Ситуация предельно усложнилась. Физические методы (использование ультразвука, увеличение интенсивности обмена жидкости в отверстиях печатных плат и т. д.) уже исчерпали свои возможности. Начинает играть существенную роль даже вязкость электролита.

Рис. 8. Сечение металлизируемого переходного отверстия в печатной плате. 1 -диэлектрик, 2 - идеальный профиль металлизации стенок отверстия, 3 - реальный профиль металлизации стенок отверстия,
4 - резист

Традиционно эта задача решалась благодаря использованию электролитов с выравнивающими добавками, которые адсорбируются в тех областях, где выше плотность тока. Сорбция таких добавок пропорциональна плотности тока. Добавки создают барьерный слой, противодействуя избыточному осаждению гальванического покрытия на острых кромках и прилегающих к ним областях (ближе к поверхности печатной платы).

Иное решение данной задачи теоретически известно давно, а практически его удалось воплотить совсем недавно - после того как был освоен промышленный выпуск импульсных источников питания большой мощности. Этот способ основан на использовании импульсного (реверсного) режима питания гальванических ванн. Большую часть времени подается прямой ток. При этом происходит осаждение покрытия. Меньшую часть времени подается обратный ток. Одновременно происходит растворение осажденного покрытия. Неравномерная плотность тока (больше у острых углов) в данном случае приносит только пользу. По этой причине растворениепокрытия происходит в первую очередь и в большей степени у поверхности печатной платы. В этом техническом решении применяется целый «букет» приемов разрешения технических противоречий: использовать частично избыточное действие, обратив вред в пользу, применить переход от непрерывного процесса к импульсному, сделать наоборот и др. Да и полученный результат соответствует этому «букету». При определенном сочетании продолжительности прямых и обратных импульсов даже появляется возможность получить толщину покрытия в глубине отверстия больше, чем у поверхности печатной платы. Вот почему такая технология оказалась незаменимой для заполнения металлом глухих переходных отверстий (достояния современных печатных плат), благодаря которым плотность межсоединений в ПП увеличивается примерно вдвое.

Проблемы, связанные с надежностью металлизированных переходов в печатных платах, носят локальный характер. Следовательно, противоречия, возникающие в процессе их развития, по отношению к печатным платам в целом также не носят всеобщего характера. Хотя такие печатные платы и занимают львиную долю рынка всех печатных плат.

Так же в процессе развития решаются и другие проблемы, с которыми сталкиваются технологи, но потребители о них даже не задумываются. Мы получаем многослойные печатные платы для своих нужд и применяем их.

Микроминиатюризация

На начальном этапе на печатные платы ставились те же компоненты что применялись при объемном монтаже РЭА, правда с некоторой доработкой выводов для снижения их размеров. Но наиболее распространенные компоненты можно было устанавливать на печатные платы без переделок.

С появлением печатных плат появилась возможность уменьшения размеров компонентов применяемых на печатных платах, что в свою очередь привело к снижения рабочих напряжений и токов потребляемых этими элементами. С 1954 года Министерством электростанций и электропромышленности массово выпускался ламповый переносной радиоприемник "Дорожный", в котором использовалась печатная плата.

С появлением миниатюрных полупроводниковых усилительных приборов - транзисторов печатные платы стали доминировать в бытовой технике, чуть позже в промышленности, а с появлением объединенных на одном кристалле фрагментов электронных схем - функциональных модулей и микросхем их конструкция предусматривала уже установку исключительно не печатные платы.

С продолжением снижения размеров активных и пассивных компонентов появилось новое понятие -«Микроминиатюризация».

В электронных компонентах это выразилось в появление БИС и СБИС содержащих многие миллионы транзисторов. Их появление заставило увеличить количество внешних связей (см. контактную поверхность грвфического процессора на рисунке 9.а), что в свою очередь вызвало усложнение разводки токопроводящих линий это видно на рисунке 9.б.

Такая панель графического процессора, да и CPU тоже - не что иное как небольшая многослойная печатная плата, на которой размещены сам чип процессора, разводка соединений выводов чипа с контактным полем и навесные элементы (обычно конденсаторы фильтров системы распределения питания)

Рисунок 9

И пусть Вам не покажется шуткой, CPU 2010 года от Intel или AMD - это тоже печатная плата, причем многослойная.

Рисунок 9а

Развития печатных плат, как и вообще электронной техники это линии уменьшения ее элементов; их уплотнения на поверхности печатной, как и уменьшение элементов электронной техники. Под «элементами» в данном случае следует понимать как собственное достояние печатных плат (проводники, переходные отверстия и др.), так и элементы из надсистемы (печатного узла) - радиоэлементы. Последние по скорости осуществления микроминиатюризации идут впереди печатных плат.

Разработкой СБИС занимается микроэлектроника.

Увеличение плотности расположения элементной базы требует того же самого от проводников печатной платы - носителя данной элементной базы. В связи с этим возникает множество задач, требующих решения. О двух таких задачах и способах их решения мы и поговорим подробнее.

Первые способы изготовления печатных плат были основаны на приклеивании проводников из медной фольги к поверхности диэлектрической подложки.

Предполагалось, что ширина проводников и зазоры между проводниками измеряются миллиметрами. В этом варианте такая технология была вполне работоспособной. Последующая миниатюризация электронной техники потребовала создания иных методов изготовления печатных плат, основные варианты которых (субтрактивные, аддитивные, полуаддитивные, комбинированные) используются и поныне. Применение таких технологий позволило реализовать печатные платы с размерами элементов, измеряемых десятыми долями миллиметра.

Достижение уровня разрешения в печатных платах примерно 0,1 мм (100 мкм) стало знаковым событием. С одной стороны, произошел переход «вниз» еще на один порядок. С другой - своеобразный качественный скачок. Почему? Диэлектрической подложкой большинства современных печатных плат является стеклотекстолит - слоистый пластик с полимерной матрицей, армированной стеклотканью. Уменьшение зазоров между проводниками печатной платы привело к тому, что они стали соизмеримы с толщиной стеклянных нитей или толщиной узлов переплетения этих нитей в стеклоткани. И ситуация, при которой проводники «замыкаются» такими узелками, стала вполне реальна. Как следствие, стало реальным и образование своеобразных капилляров в стеклотекстолите, «замыкающих» данные проводники. В условиях повышенной влажности капилляры, в конечном счете, приводят к ухудшению уровня изоляции между проводниками печатных плат. А если точнее, это происходит даже в условиях обычной влажности. Конденсация влаги в капиллярных структурах стеклотекстолита отмечается и в нормальных условиях Влага всегда снижает уровень сопротивления изоляции.

Поскольку в современной радиоэлектронной аппаратуре такие печатные платы стали явлением обычным, можно сделать вывод, что эту проблему разработчикам базовых материалов для печатных плат все же удалось разрешить традиционными методами. Но справятся ли они со следующим знаковым событием? Очередной качественный скачок уже произошел.

Сообщается о том, что специалистами компании Samsung освоена технология изготовления печатных плат с шириной проводников и зазорами между ними 8-10 мкм. А ведь это уже толщина не стеклянной нити, а стекловолокна!

Задача обеспечения изоляции в сверхмалых зазорах между проводниками настоящих и особенно будущих печатных плат сложна. Какими методами она будет решаться - традиционными либо нетрадиционными - и будет ли решена - покажет время.

Рис. 10. Профили травления медной фольги: а - идеальный профиль, б - реальный профиль; 1 - защитный слой, 2 - проводник, 3 - диэлектрик

Существовали сложности получения в печатных платах сверхмалые (сверхузкие) проводники. По многим причинам в технологиях изготовления печатных плат массовое распространение получили субтрактивные методы. В субтрактивных методах рисунок электрической схемы формируется путем удаления ненужных фрагментов фольги. Еще в годы Второй мировой войны Пауль Эйслер отработал технологию травления медной фольги хлорным железом. Столь непритязательная технология используется радиолюбителями до сих пор. Промышленные технологии недалеко ушли от этой «кухонной» технологии. Разве что изменился состав травильных растворов и появились элементы автоматизации процесса.

Принципиальный недостаток абсолютно всех технологий травления заключается в том, что травление идет не только в желаемом направлении (по направлению к поверхности диэлектрика), но и в не желаемом поперечном направлении. Боковой подтрав проводников соизмерим с толщиной медной фольги (около 70%). Обычно вместо идеального профиля проводника получается грибоподобный профиль (рис. 10). Когда ширина проводников велика, а в самых простых печатных платах она измеряется даже миллиметрами, на боковой подтрав проводников попросту закрывают глаза. Если же ширина проводников соизмерима с их высотой или даже меньше ее (реалии сегодняшнего дня), то «боковые устремления» ставят под сомнение целесообразность применения таких технологий.

На практике величину бокового подтрава печатных проводников удается уменьшить в какой-то степени. Это достигается увеличением скорости травления; использованием струйного облива (струи травителя совпадают с желаемым направлением - перпендикулярно плоскости листа), а также другими способами. Но когда ширина проводника приближается к его высоте, эффективность таких усовершенствований становится явно недостаточной.

Но успехи фотолитограции, химии и технологии позволяют сейчас решить все эти проблемы. Эти решения берутся из технологий микроэлектроники.

Радиолюбительские технологии производства печатных плат

Изготовление печатных плат в радиолюбительских условиях имеет свои особенности, и развитие техники все увеличивает эти возможности. Но основой их продолжают оставаться процессы

Вопрос о том, как можно дешево изготавливать печатные платы в домашних условиях, волнует всех радиолюбителей, наверное, с 60х годов прошлого века, когда печатные платы нашли широкое применение в бытовой технике. И если тогда выбор технологий был не так уж велик, то сегодня благодаря развитию современной техники радиолюбители получают возможность быстро и качественно изготавливать печатные платы без применения какого-либо дорогостоящего оборудования. И эти возможности постоянно расширяются позволяя все более приближать качество их творений к промышленным образцам.

Собственно, весь процесс изготовления печатной платы можно условно разделить на пять основных этапов:

• предварительная подготовка заготовки (очистка поверхности, обезжиривание);
• нанесение тем или иным способом защитного покрытия;
• удаление лишней меди с поверхности платы (травление);
• очистка заготовки от защитного покрытия;
• сверловка отверстий, покрытие платы флюсом, лужение.

Мы рассматриваем только наиболее распространенную «классическую» технологию, при которой лишние участки меди с поверхности платы удаляются путем химического травления. Помимо этого, возможно, например, удаление меди путем фрезерования или с использованием электроискровой установки. Однако эти способы не получили широкого распространения ни в радиолюбительской среде, ни в промышленности (хотя изготовление плат фрезерованием иногда применяется в тех случаях, когда необходимо очень быстро изготовить несложные печатные платы в единичных количествах).

А здесь расскажем о 4 первых пунктах технологического процесса, поскольку сверловка выполняется радиолюбителем с помощью того инструмента который у него сущетвует.

В домашних условиях изготовить многослойную печатную плату способную конкурировать с промышленными образцами невозможно, поэтому обычно в радиолюбительских условиях применяются двухсторонние печатные платы, а в конструкциях СВЧ устройств только двухсторонние.

Хотя надо стремиться при изготовлении печатных плат в домашних условиях следует стремиться при разработке схемы использовать как можно больше компонентов для поверхностного монтажа, что в некоторых случаях позволяет развести практически всю схему на одной стороне платы. Связано это с тем, что до сих пор не изобретено никакой реально осуществимой в домашних условиях технологии металлизации переходных отверстий. Поэтому в случае, если разводку платы не удается выполнить на одной стороне, следует выполнять разводку на второй стороне с использованием в качестве межслойных переходов выводов различных компонентов, установленных на плате, которые в этом случае придется пропаивать с двух сторон платы. Конечно, существуют различные способы замены металлизации отверстий (использование тонкого проводника, вставленного в отверстие и припаянного к дорожкам с обеих сторон платы; использование специальных пистонов), однако все они имеют существенные недостатки и неудобны в использовании. В идеальном случае плата должна разводиться только на одной стороне с использованием минимального количества перемычек.

Остановимся теперь подробнее на каждом из этапов изготовления печатной платы.

Предварительная подготовка заготовки

Данный этап является начальным и заключается в подготовке поверхности будущей печатной платы к нанесению на нее защитного покрытия. В целом за продолжительный промежуток времени технология очистки поверхности не претерпела сколько-нибудь значительных изменений. Весь процесс сводится к удалению окислов и загрязнений с поверхности платы с использованием различных абразивных средств и последующему обезжириванию.

Для удаления сильных загрязнений можно использовать мелкозернистую наждачную бумагу («нулевку»), мелкодисперсный абразивный порошок или любое другое средство, не оставляющее на поверхности платы глубоких царапин. Иногда можно просто вымыть поверхность печатной платы жесткой мочалкой для мытья посуды с моющим средством или порошком (для этих целей удобно использовать абразивную мочалку для мытья посуды, которая похожа на войлок с мелкими вкраплениями какого-то вещества; часто такая мочалка бывает наклеена на кусок поролона). Кроме того, при достаточно чистой поверхности печатной платы можно вообще пропустить этап абразивной обработки и сразу перейти к обезжириванию.

В случае наличия на печатной плате только толстой оксидной пленки ее можно легко удалить путем обработки печатной платы в течение 3-5 секунд раствором хлорного железа с последующим промыванием в холодной проточной воде. Следует, однако, отметить, что желательно либо производить данную операцию непосредственно перед нанесением защитного покрытия, либо после ее проведения хранить заготовку в темном месте, поскольку на свету медь быстро окисляется.

Заключительный этап подготовки поверхности заключается в обезжиривании. Для этого можно использовать кусочек мягкой ткани, не оставляющей волокон, смоченный спиртом, бензином или ацетоном. Здесь следует обратить внимание на чистоту поверхности платы после обезжиривания, поскольку в последнее время стали попадаться ацетон и спирт со значительным количеством примесей, которые оставляют на плате после высыхания беловатые разводы. Если это так, то стоит поискать другой обезжиривающий состав. После обезжиривания плату следует промыть в проточной холодной воде. Качество очистки можно контролировать, наблюдая за степенью смачивания водой поверхности меди. Полностью смоченная водой поверхность, без образования на ней капель и разрывов пленки воды, является показателем нормального уровня очистки. Нарушения в этой пленке воды указывают, что поверхность очищена недостаточно.

Нанесение защитного покрытия

Нанесение защитного покрытия является самым важным этапом в процессе изготовления печатных плат, и именно им на 90 % определяется качество изготовленной платы. В настоящее время в радиолюбительской среде наиболее популярными являются три способа нанесения защитного покрытия. Мы их рассмотрим в порядке возрастания качества получаемых при их использовании плат.

В первую очередь надо уточнить, что защитное покрытие на поверхности заготовки должно образовывать однородную массу, без дефектов, с ровными четкими границами и устойчиво к воздействию химических компонентов травильного раствора.

Ручное нанесение защитного покрытия

При этом способе чертеж печатной платы переносится на стеклотекстолит вручную при помощи какого- либо пишущего приспособления. В последнее время в продаже появилось множество маркеров, краситель которых не смывается водой и дает достаточно прочный защитный слой. Кроме того, для ручного рисования можно использовать рейсфедер или какое-либо другое приспособление, заправленное красителем. Так, например, удобно использовать для рисования шприц с тонкой иглой (лучше всего для этих целей подходят инсулиновые шприцы с диаметром иглы 0,3-0,6 мм), обрезанной до длины 5-8 мм. При этом шток в шприц вставлять не следует - краситель должен поступать свободно под действием капиллярного эффекта. Также вместо шприца можно использовать тонкую стеклянную или пластмассовую трубку, вытянутую над огнем для достижения нужного диаметра. Особое внимание следует обратить на качество обработки края трубки или иглы: при рисовании они не должны царапать плату, в противном случае можно повредить уже закрашенные участки. В качестве красителя при работе с такими приспособлениями можно использовать разбавленный растворителем битумный или какой- либо другой лак, цапонлак или даже раствор канифоли в спирте. При этом необходимо подобрать консистен цию красителя таким образом, чтобы он свободно поступал при рисовании, но в то же время не вытекал и не образовывал капель на конце иглы или трубки. Стоит отметить, что ручной процесс нанесения защитного покрытия достаточно трудоемок и годится только в тех случаях, когда необходимо очень быстро изготовить небольшую плату. Минимальная ширина дорожки, которой можно добиться при рисовании вручную, составляет порядка 0,5 мм.

Использование «технологии лазерного принтера и утюга»

Данная технология появилась сравнительно недавно, однако сразу получила широчайшее распространение в силу своей простоты и высокого качества получаемых плат. Основу технологии составляет перенос тонера (порошка, используемого при печати в лазерных принтерах) с какой-либо подложки на печатную плату.

При этом возможны два варианта: либо используемая подложка отделяется от платы перед травлением, либо, если в качестве подложки используется алюминиевая фольга, она стравливается вместе с медью .

Первый этап использования данной технологии заключается в печати зеркального изображения рисунка печатной платы на подложке. Параметры печати принтера при этом должны быть установлены на максимальное качество печати (поскольку в этом случае происходит нанесение слоя тонера наибольшей толщины). В качестве подложки можно использовать тонкую мелованную бумагу (обложки от различных журналов), бумагу для факсов, алюминиевую фольгу, пленку для лазерных принтеров, основу от самоклеящейся пленки Oracal или какие-нибудь другие материалы. При использовании слишком тонкой бумаги или фольги может потребоваться приклеить их по периметру на лист плотной бумаги. В идеальном случае принтер должен иметь тракт для прохождения бумаги без перегибов, что предотвращает смятие подобного бутерброда внутри принтера. Большое значение это имеет и при печати на фольге или основе от пленки Oracal, поскольку тонер на них держится очень слабо, и в случае перегиба бумаги внутри принтера существует большая вероятность, что придется потратить несколько неприятных минут на очистку печки принтера от налипших остатков тонера. Лучше всего, если принтер может пропускать бумагу через себя горизонтально, печатая при этом на верхней стороне (как, например, HP LJ2100 - один из лучших принтеров для применения при изготовлении печатных плат). Хочется сразу предупредить владельцев принтеров типа HP LJ 5L, 6L, 1100, чтобы они не пытались печатать на фольге или основе от Oracal - обычно подобные эксперименты заканчиваются плачевно. Также помимо принтера можно использовать и копировальный аппарат, применение которого иногда дает даже лучшие по сравнению с принтерами результаты за счет нанесения толстого слоя тонера. Основное требование, которое предъявляется к подложке, - легкость ее отделения от тонера. Кроме того, в случае использования бумаги она не должна оставлять в тонере ворсинок. При этом возможны два варианта: либо подложка после перенесения тонера на плату просто снимается (в случае пленки для лазерных принтеров или основы от Oracal), либо предварительно размачивается в воде и потом постепенно отделяется (мелованная бумага).

Перенос тонера на плату заключается в прикладывании подложки с тонером к предварительно очищенной плате с последующим нагревом до температуры, немного превышающей температуру плавления тонера. Возможно огромное количество вариантов как это сделать, однако наиболее простым является прижим подложки к плате горячим утюгом. При этом для равномерного распределения давления утюга на подложку рекомендуется проложить между ними несколько слоев плотной бумаги. Очень важным вопросом является температура утюга и время выдержки. Эти параметры варьируются в каждом конкретном случае, поэтому, возможно, придется поставить не один эксперимент, прежде чем вы получите качественные результаты. Критерий тут один: тонер должен успеть достаточно расплавиться, чтобы прилипнуть к поверхности платы, и в то же время должен не успеть дойти до полужидкого состояния, чтобы края дорожек не расплющились. После «приварки» тонера к плате необходимо отделить подложку (кроме случая использования в качестве подложки алюминиевой фольги: ее отделять не следует, поскольку она растворяется практически во всех травильных растворах). Пленка для лазерных принтеров и основа от Oracal просто аккуратно снимаются, в то время как обычная бумага требует предварительного размачивания в горячей воде.

Стоит отметить, что в силу особенностей печати лазерных принтеров слой тонера в середине больших сплошных полигонов достаточно мал, поэтому следует по мере возможности избегать использования таких областей на плате, либо после снятия подложки придется подретушировать плату вручную. В целом использование данной технологии после некоторой тренировки позволяет добиться ширины дорожек и зазоров между ними вплоть до 0,3 мм.

Я использую, уже много лет, именно эту технологию (с тех пор как мне стал доступен лазерный принтер).

Применение фоторезистов

Фоторезистом называется чувствительное к свету (обычно в области близкого ультрафиолета) вещество, которое под воздействием освещения изменяет свои свойства.

В последнее время на российском рынке появилось несколько видов импортных фоторезистов в аэрозольной упаковке, которые особенно удобны для использования в домашних условиях. Сущность применения фоторезиста заключается в следующем: на плату с нанесенным на нее слоем фоторезиста накладывается фотошаблон () и производится ее засветка, после чего засвеченные (или незасвеченные) участки фоторезиста смываются специальным растворителем, в качестве которого обычно выступает едкий натр (NaOH). Все фоторезисты делятся на две категории: позитивные и негативные. Для позитивных фоторезистов дорожке на плате соответствует черный участок на фотошаблоне, а для негативных, соответственно, прозрачный.

Наибольшее распространение получили позитивные фоторезисты как наиболее удобные в применении.

Остановимся более подробно на использовании позитивных фоторезистов в аэрозольной упаковке. Первым этапом является подготовка фотошаблона. В домашних условиях его можно получить, напечатав рисунок платы на лазерном принтере на пленке. При этом необходимо особое внимание уделить плотности черного цвета на фотошаблоне, для чего необходимо отключить в настройках принтера все режимы экономии тонера и улучшения качества печати. Кроме того, некоторые фирмы предлагают вывод фотошаблона на фотоплоттере - при этом вам гарантирован качественный результат.

На втором этапе на предварительно подготовленную и очищенную поверхность платы наносится тонкая пленка фоторезиста. Делается это путем распыления его с расстояния порядка 20 см. При этом следует стремиться к максимальной равномерности получаемого покрытия. Кроме того, очень важно обеспечить отсутствие пыли в процессе распыления - каждая попавшая в фоторезист пылинка неминуемо оставит свой след на плате.

После нанесения слоя фоторезиста необходимо высушить получившуюся пленку. Делать это рекомендуется при температуре 70-80 градусов, причем сначала нужно подсушить поверхность при небольшой температуре и лишь затем постепенно довести температуру до нужного значения. Время сушки при указанной температуре составляет порядка 20-30 мин. В крайнем случае допускается сушка платы при комнатной температуре в течение 24 часов. Платы с нанесенным фоторезистом должны храниться в темном прохладном месте.

Следующим после нанесения фоторезиста этапом является экспонирование. При этом на плату накладывается фотошаблон (стороной печати к плате, это способствует увеличению четкости при экспонировании), который прижимается тонким стеклом или. При достаточно небольших размерах плат для прижима можно использовать отмытую от эмульсии фотопластинку. Поскольку область максимума спектральной чувствительности большинства современных фоторезистов приходится на ультрафиолетовый диапазон, для засветки желательно использовать лампу с большой долей УФ-излучения в спектре (ДРШ, ДРТ и др.). В крайнем случае, можно использовать мощную ксеноновую лампу. Время экспонирования зависит от многих причин (тип и мощность лампы, расстояние от лампы до платы, толщина слоя фоторезиста и др.) и подбирается экспериментально. Однако в целом время экспонирования составляет обычно не более 10 минут даже при экспонировании под прямыми солнечными лучами.

(Пластмассовые, прозрачные в видимом свете, пластинки использовать для прижима не рекомендую, так как у них сильное поглощение УФ излучения)

Проявление большинства фоторезистов осуществляется раствором едкого натра (NaOH) - 7 граммов на литр воды. Лучше всего использовать свежеприготовленный раствор, имеющий температуру 20-25 градусов. Время проявления зависит от толщины пленки фоторезиста и находится в пределах от 30 секунд до 2 минут. После проявления плату можно подвергать травлению в обычных растворах, поскольку фоторезист устойчив к воздействию кислот. При использовании качественных фотошаблонов применение фоторезиста позволяет получить дорожки шириной вплоть до 0,15-0,2мм.

Травление

Известно много составов для химического стравливания меди. Все они отличаются скоростью протекания реакции, составом выделяющихся в результате реакции веществ, а также доступностью необходимых для приготовления раствора химических реактивов. Ниже приведена информация о наиболее популярных растворах для травления.

Хлорное железо (FeCl)

Пожалуй, самый известный и популярный реактив. Сухое хлорное железо растворяется в воде до тех пор, пока не будет получен насыщенный раствор золотисто-желтого цвета (для этого потребуется порядка двух столовых ложек на стакан воды). Процесс травления в этом растворе может занять от 10 до 60 минут. Время зависит от концентрации раствора, температуры и перемешивания. Перемешивание значительно ускоряет протекание реакции. В этих целях удобно использовать компрессор для аквариумов, который обеспечивает перемешивание раствора пузырьками воздуха. Также реакция ускоряется при подогревании раствора. По окончании травления плату необходимо промыть большим количеством воды, желательно с мылом (для нейтрализации остатков кислоты). К недостаткам данного раствора следует отнести образование в процессе реакции отходов, которые оседают на плате и препятствуют нормальному протеканию процесса травления, а также сравнительно низкую скорость реакции.

Персульфат аммония

Светлое кристаллическое вещество, растворяется в воде исходя из соотношения 35 г вещества на 65 г воды. Процесс травления в этом растворе занимает порядка 10 минут и зависит от площади медного покрытия, подвергающегося травлению. Для обеспечения оптимальных условий протекания реакции раствор должен иметь температуру порядка 40 градусов и постоянно перемешиваться. По окончании травления плату необходимо промыть в проточной воде. К недостаткам этого раствора относится необходимость поддержания требуемого температурного режима и перемешивания.

Раствор соляной кислоты (HCl) и перекиси водорода (H 2 O 2)

- Для приготовления этого раствора необходимо к 770 мл воды добавить 200 мл 35 % соляной кислоты и 30 мл 30 % перекиси водорода. Готовый раствор должен храниться в темной бутылке, не закрытой герметически, так как при разложении перекиси водорода выделяется газ. Внимание: при использовании данного раствора необходимо соблюдать все меры предосторожности при работе с едкими химическими веществами. Все работы необходимо производить только на свежем воздухе или под вытяжкой. При попадании раствора на кожу ее необходимо немедленно промыть большим количеством воды. Время травления сильно зависит от перемешивания и температуры раствора и составляет порядка 5-10 минут для хорошо перемешиваемого свежего раствора при комнатной температуре. Не следует нагревать раствор выше 50 градусов. После травления плату необходимо промыть проточной водой.

Данный раствор после травления можно восстанавливать добавлением H 2 O 2 . Оценка требуемого количества перекиси водорода осуществляется визуально: погруженная в раствор медная плата должна перекрашиваться из красного в темнокоричневый цвет. Образование пузырей в растворе свидетельствует об избытке перекиси водорода, что ведет к замедлению реакции травления. Недостатком данного раствора является необходимость строгого соблюдения при работе с ним всех мер предосторожности.

Раствор лимонной кислоты и перекиси водорода от Радиокота

В 100 мл аптечной 3% перекиси водорода растворяется 30 г лимонной кислоты и 5 г поваренной соли.

Этого раствора должно хватить для травления 100 см2 меди, толщиной 35мкм.

Соль при подготовке раствора можно не жалеть. Так как она играет роль катализатора, то в процессе травления практически не расходуется. Перекись 3% не стоит разбавлять дополнительно т.к. при добавлении остальных ингредиентов её концентрация снижается.

Чем больше будет добавлено перекиси водорода (гидроперита) тем быстрее пойдёт процесс, но не переусердствуйте - раствор не хранится, т.е. повторно не используется, а значит и гидроперит будет просто перерасходован. Избыток перекиси легко определить по обильному «пузырению» во время травления.

Однако добавление лимонной кислоты и перекиси вполне допустимо, но рациональнее приготовить свежий раствор.

Очистка заготовки

После завершения травления и промывки платы необходимо очистить ее поверхность от защитного покрытия. Сделать это можно каким-либо органическим растворителем, например, ацетоном.

Далее необходимо просверлить все отверстия. Делать это нужно остро заточенным сверлом при максимальных оборотах электродвигателя. В случае, если при нанесении защитного покрытия в центрах контактных площадок не было оставлено пустого места, необходимо предварительно наметить отверстия (сделать это можно, например, керном). После чего дефекты (бахрома) с обратной стороны платы удаляется зенкованием, а на двухсторонней печатной плате на меди - сверлом диаметром около 5 мм в ручном зажиме за один оборот сверла без приложения усилия.

Следующим этапом является покрытие платы флюсом с последующим лужением. Можно использовать специальные флюсы промышленного изготовления (лучше всего смываемые водой или вообще не требующие смывания) либо просто покрыть плату слабым раствором канифоли в спирте.

Лужение можно производить двумя способами:

Погружением в расплав припоя

Помощи паяльника и металлической оплетки, пропитанной припоем.

В первом случае необходимо изготовить железную ванночку и заполнить ее небольшим количеством легкоплавкого припоя - сплава Розе или Вуда. Расплав должен быть полностью покрыт сверху слоем глицерина во избежание окисления припоя. Для нагревания ванночки можно использовать перевернутый утюг или электроплитку. Плата погружается в расплав, а затем вынимается с одновременным удалением излишков припоя ракелем из твердой резины.

Заключение

Думаю, данный материал поможет читателям получить представление о конструкции и изготовлению печатных плат. А тем кто начинает заниматься электроникой получить основные навыки их изготовления в домашних условиях.Для более полного ознакомления с печатными платами рекомендую почитать [ Л.2] . Ее можно скачать в Интернет.

Литература

1. Политехнический словарь. Редкол.: Инглинский А. Ю. и др. М.: Советская энциклопедия. 1989.
2. Медведев А. М. Печатные платы. Конструкции и материалы. М.: Техносфера. 2005.
3. Из истории технологий печатных плат // Электроника-НТБ. 2004. № 5.
4. Новинки электронной техники. Фирма Intel возвещает эру трехмерных транзисторов. Альтернатива традиционным планарным приборам // Электроника-НТБ. 2002. № 6.
5. Истинно трехмерные микросхемы - первое приближение // Компоненты и технологии. 2004. № 4.
6. Мокеев М. Н, Лапин М. С. Технологические процессы и системы производства тканых монтажных плат и шлейфов. Л.: ЛДНТП 1988.
7. Володарский О. Мне идет этот компьютер? Электроника, вплетенная в ткань, становится модной // Электроника-НТБ. 2003. № 8.
8. Медведев А. М. Технология производства печатных плат. М.: Техносфера. 2005.
9. Медведев А. М. Импульсная металлизация печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2005. № 4
10. Печатные платы - линии развития, Владимир Уразаев,

Ламинат FR4

Подробное описание ламината вы можете найти .

Ламинаты на складе ТеПро

СВЧ материал ROGERS

ПРИМЕЧАНИЕ . Для использования при производстве плат материала ROGERS просим указывать это в бланке заказа

Поскольку материал Rogers стоит значительно дороже стандартного FR4 мы вынуждены ввести дополнительную наценку для плат, изготовленных на материале Rogers. Рабочие поля применяемых заготовок: 170 × 130; 270 × 180; 370 × 280; 570 × 380.

Ламинаты на основе из металла

Наглядное изображение материала

Алюминиевый ламинат ACCL 1060-1 с теплопроводностью диэлектрика 1 Вт/(м·K)

Описание

Алюминиевый ламинат CS-AL88-AD2(AD5) с теплопроводностью диэлектрика 2(5) Вт/(м·K)

Описание

Препрег

В производстве мы используем препреги 2116, 7628 и 1080 сорта А (высший) марки ILM.

Подробное описание препрегов вы сможете найти .

Паяльная маска

Свойства

Подробное описание паяльной маски вы можете найти .

Часто задаваемые вопросы и ответы по ламинатам и препрегам

Что такое XPC?

Какая разница между FR1 и FR2?

Что такое FR2?

Что такое FR3?

Что такое FR4?

Что такое FR5?

Что такое CEM-1?

Что такое CEM-3?

Что такое G10?

Как можно заменять ламинаты?

Что такое «препреги»?

Что означает FR или CEM?

FR4 действительно зеленого цвета?

Означает ли что-нибудь цвет логотипа?

Означает ли что-нибудь ориентация логотипа?

Что такое ламинат с ультрафиолетовой блокировкой?

Какие ламинаты годятся для металлизации сквозных отверстий?

Есть ли альтернатива для металлизации сквозных отверстий?

Что такое «толщина материала»?

Что такое: PF-CP-Cu? IEC-249? GFN?

Что такое CTI?

Что означает #7628? Какие еще существуют номера?

Что такое 94V-0, 94V-1, 94-HB?

Печа́тная пла́та (на англ. PCB - printed circuit board) - пластина, выполненная из диэлектрика, на которой сформирована (обычно печатным методом) хотя бы одна электропроводящая цепь (электронная схема). Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов или соединения отдельных электронных узлов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка, обычно пайкой, или накруткой, или склёпкой, или впрессовыванием, в результате чего собирается электронный модуль (или смонтированная печатная плата).

Виды плат

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на односторонние, двухсторонние и многослойные.
В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги аддитивным или субтрактивным методом. В аддитивном методе проводящий рисунок формируется на нефольгированном материале, обычно путём химического меднения через предварительно нанесённую на материал защитную маску. В субтрактивном методе проводящий рисунок формируется на фольгированном материале, путём удаления ненужных участков фольги, при этом обычно используется химическое травление.

Печатная плата обычно содержит монтажные отверстия и контактные площадки, которые могут быть дополнительно покрыты защитным покрытием: сплавом олова и свинца, оловом, золотом, серебром, органическим защитным покрытием. Кроме того в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения слоёв платы, внешнее изоляционное покрытие («защитная маска») которое закрывает изоляционным слоем неиспользуемую для контакта поверхность платы, маркировка обычно наносится с помощью шелкографии, реже - струйным методом или лазером.

Виды печатных плат

По количеству слоёв проводящего материала:
-Односторонние
-Двусторонние
-Многослойные (МПП)

По гибкости:
-Жёсткие
-Гибкие

По технологии монтажа:
-Для монтажа в отверстия
-Для поверхностного монтажа

Каждый вид печатной платы может иметь свои особенности, в связи с требованиями к особым условиям эксплуатации (например, расширенный диапазон температур) или особенности применения (например, в приборах, работающих на высоких частотах).

Материалы

Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как текстолит, стеклотекстолит, гетинакс.
Так же основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие печатные платы применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. При этом металлическое основание платы крепится к радиатору.
В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д) и керамика. Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.

FR-4

Семейство материалов под общим названием FR-4 по классификации NEMA (National Electrical Manufacturers Association, USA). Данные материалы являются наиболее распространенными для производства ДПП, МПП а также ОПП с повышенными требованиями к механической прочности. FR-4 представляет собой материал на основе стеклоткани с эпоксидной смолой в качестве связующего (стеклотекстолит). Обычно матового желтоватого цвета или прозрачный, привычный зеленый цвет ему придает паяльная маска, наносимая на поверхность печатной платы. Класс горючести UL94-V0.
В зависимости от свойств и области применения FR-4
-стандартный, с температурой стеклования Tg ~130°C, с ультрафиолетовой блокировкой (UV blocking) или без нее. Наиболее распространенный и широко используемый тип, одновременно наименее дорогой из FR-4;

С высокой температурой стеклования, Tg ~170°C-180°C;
-безгалогенный;
-с нормируемым трекинг-индексом, CTI ≥400, ≥600;
-высокочастотный, с низкой диэлектрической проницаемостью ε ≤3,9 и малым тангенсом угла диэлектрических потерь df ≤0,02.

CEM-3

Семейство материалов CEM-3 по классификации NEMA. Композитный материал на стекловолоконно-эпоксидной основе обычно молочно-белого цвета или прозрачный. Состоит из двух наружных слоев стеклоткани, между которыми помещено нетканое стекловолокно (войлок из стекловолокна). Широко применяется при производстве ДПП с металлизацией. По своим свойствам очень близок к FR-4 и отличается, по большому счету, лишь меньшей механической прочностью. Является прекрасной дешевой альтернативой FR-4 для абсолютного большинства применений. Отлично обрабатывается механически (фрезерование, штамповка). Класс горючести UL94-V0.
В зависимости от свойств и области применения CEM-3 разделяется на следующие подклассы:
-стандартный, с ультрафиолетовой блокировкой (UV blocking) или без нее;

CEM-1

Класс материалов CEM-1 по классификации NEMA. Эти композитные материалы изготавливаются на бумажной основе с двумя слоями стеклоткани снаружи. Обычно молочно-белого, молочно-желтого или коричнево-бурого цвета. Несовместимы с процессом металлизации отверстий, поэтому используются только для производства ОПП. Диэлектрические свойства близки к FR-4, механические свойства несколько хуже. CEM-1 является хорошей альтернативой FR-4 при производстве односторонних печатных плат, когда цена является определяющим фактором. Отлично обрабатывается механически (фрезерование, штамповка). Класс горючести UL94-V0.
Разделяется на следующие подклассы:
-стандартный;
-высокотемпературный, совместимый с технологиями бессвинцового лужения и пайки;
-безгалогенный, без содержания фосфора и сурьмы;
-с нормируемым трекинг-индексом, CTI ≥600
-влагостойкий, с повышенной стабильностью размеров

FR-1/FR-2

Класс материалов FR-1 и FR-2 по классификации NEMA. Эти материалы изготавливаются на фенольно-бумажной основе и используются только для производства ОПП. FR-1 и FR-2 имеют схожие характеристики, FR-2 отличается от FR-1 лишь использованием модифицированной фенольной смолы с более высокой температурой стеклования в качестве связующего. Ввиду схожести характеристик и области применения FR-1 и FR-2, большинство производителей материалов выпускают лишь один из этих материалов, чаще FR-2. Отлично обрабатывается механически (фрезерование, штамповка). Дешев. Класс горючести UL94-V0 или V1.
Разделяется на следующие подклассы:
-стандартный;
-безгалогенный, без содержания фосфора и сурьмы, нетоксичный;
-влагостойкий

Финишные покрытия печатных плат

Для сохранения паяемости печатных плат после хранения, обеспечения надежного монтажа электронных компонентов и сохранения при эксплуатации свойств паяных или сварных соединений необходимо защищать медную поверхность контактных площадок печатной платы паяемым поверхностным покрытием, так называемым финишным покрытием. Мы предлагаем Вашему вниманию широкий перечень финишных покрытий, который позволяет оптимальным образом сделать выбор в пользу одного или даже одновременно нескольких из них при производстве Ваших печатных плат.

HAL или HASL (от английского Hot Air Leveling или Hot Air Solder Leveling - выравнивание горячим воздухом) с использованием припоев на основе сплава олово-свинец (Sn/Pb), например, ОС61, ОС63, и выравниванием воздушным ножом. Наносится в конечной стадии изготовления на уже сформированную печатную плату с нанесенной паяльной маской путем окунания ее в ванну с расплавом и последующим выравниванием и удалением излишков припоя с помощью воздушного ножа. Это покрытие, на данный момент самое распространенное, является классическим, наиболее известным и давно используемым. Обеспечивает отличную паяемость печатных плат даже после длительного хранения. Покрытие HAL технологично и недорого. Совместимо со всеми известными методами монтажа и пайки - ручной, пайки волной, оплавлением в печи и пр. К минусам данного вида финишного покрытия можно отнести наличие свинца - одного из наиболее токсичных металлов, запрещенного к использованию на территории Европейского Союза директивой RoHS (Restriction of Hazardous Substances Directives - директива о запрете на использование опасных и токсичных веществ), а также то, что покрытие HAL не удовлетворяет условиям плоскостности контактных площадок для монтажа микросхем с очень высокой степенью интеграции. Покрытие непригодно для технологии разварки кристаллов на плату (COB - Chip on board) и нанесения на концевые контакты (ламели).

HAL бессвинцовый - вариант покрытия HAL, но с использованием бессвинцовых припоев, например, Sn100, Sn96,5/Ag3/Cu0,5, SnCuNi, SnAgNi. Покрытие полностью удовлетворяет требованиям RoHS и имеет очень хорошую сохранность и паяемость. Это финишное покрытие наносится при более высокой температуре чем HAL на основе ПОС, что накладывает повышенные требования к базовому материалу печатной платы и электронным компонентам по температуре. Покрытие совместимо со всеми способами монтажа и пайки как с использованием бессвинцовых припоев (что наиболее рекомендуемо), так и с использованием оловянно-свинцовых припоев, но требует внимательного отношения к температурному режиму пайки. По сравнению с HAL на основе Sn/Pb, данное покрытие является более дорогим за счет большей стоимости бессвинцовых припоев а также за счет большей энергоемкости.

Основная проблема, связанная с покрытием HAL , - это существенная неравномерность толщины покрытия. Проблема особенно актуальна для компонентов с малым шагом выводов, например QFP с шагом 0,5 мм и менее, BGA с шагом 0,8 мм и менее. Толщина покрытия может варьироваться от 0,5 мкм до 40 мкм в зависимости от геометрических размеров контактной площадки и от неравномерности воздействия воздушного ножа. Также в результате термоудара при нанесении HASL возможно коробление печатной платы в виде прогиба/кручения. Это особенно актуально для плат с толщиной <1,0 мм и для плат с несимметричным стеком слоев, несбалансированных по меди, имеющих несимметричные по слоям сплошные медные заливки, ряды металлизированных отверстий, а также для бессвинцового покрытия.

Иммерсионное золото (ENIG - Electroless Nickel/Immersion Gold) - покрытие семейства Ni/Au. Толщина покрытия: Ni 3-7 мкм, Au 0,05-0.1 мкм. Наносится химическим способом через окна в паяльной маске. Широко распространенное бессвинцовое покрытие, обеспечивающее плоскостность контактных площадок, хорошую паяемость, высокую поверхностную проводимость контактных площадок и длительный срок хранения. Отлично подходит для применения компонентов с мелким шагом а также для внутрисхемного тестирования. Покрытие полностью удовлетворяет требованиям RoHS. Совместимо со всеми способами монтажа и пайки. Более дорогое, по сравнению с HASL.

Имеется множество производителей химикатов для нанесения иммерсионного золота, технологии его нанесения различаются от производителя к производителю химикатов. Конечный результат также зависит от выбора химикатов и техпроцесса нанесения. Некоторые химикаты могут не сочетаться с конкретным типом паяльной маски. Данный тип покрытия склонен к образованию двух типов критических дефектов - "черной площадки" (black pad, несмачиваемости поверхности площадки припоем) и растрескивания при механических или термических нагрузках (растрескивание происходит между слоем никеля и меди, по слою интерметаллида). Также при нанесении покрытия следует контролировать количество золота для предотвращения охрупчивания паяного соединения. Точное следование технологии нанесения иммерсионного золота и своевременная замена растворов гарантируют качество покрытия и отсутствие дефекта black pad. Для предотвращения растрескивания при механических нагрузках можно рекомендовать увеличение толщины печатной платы до 2,0 мм и более при использовании BGA корпусов размером более 25х25 мм или при размере платы более 250 мм. Увеличение толщины платы уменьшает механические нагрузки на компоненты при изгибании платы.

Gold Fingers - покрытие семейства Ni/Au. Толщина покрытия: Ni 3-5 мкм, Au 0,5-1,5 мкм. Наносится электрохимическим осаждением (гальваника). Используется для нанесения на концевые контакты и ламели. Имеет высокую механическую прочность, стойкость к истиранию и неблагоприятному воздействию окружающей среды. Незаменимо там, где важно обеспечить надежный и долговечный электрический контакт.

Иммерсионное олово - химическое покрытие, удовлетворяющее требованиям RoHS и обеспечивающее высокую плоскостность печатных площадок платы. Технологичное покрытие совместимое со всеми способами пайки. Вопреки распространенному неверному мнению, основанному на опыте использования устаревших типов покрытия, иммерсионное олово обеспечивает хорошую паяемость после достаточно длительного хранения - гарантийный срок хранения 6 мес. (паяемость покрытия сохраняется до года и более при правильном хранении). Такие длительные сроки сохранения хорошей паяемости обеспечиваются введением подслоя органометалла в качестве барьера между медью контактных площадок и непосредственно оловом. Барьерный подслой предотвращает взаимную диффузию меди и олова, образование интерметаллидов и рекристаллизацию олова. Финишное покрытие иммерсионным оловом с подслоем органометалла, при толщине около 1 мкм, имеет ровную, плоскую поверхность, сохраняет паяемость и возможность нескольких перепаек даже после достаточно длительного хранения.

OSP (от английского Organic Solderability Preservatives) - группа органических финишных покрытий, наносимых непосредственно на медь контактных площадок и обеспечивающих защиту медной поверхности от окисления в процессе хранения и пайки. С уменьшением шага компонентов интерес к покрытиям, обеспечивающим необходимую плоскостность, и, в частности, к OSP, постоянно растет. В последнее время покрытия OSP бурно прогрессируют, появились разновидности покрытий, обеспечивающих многопроходную пайку без оксидации меди даже при достаточно больших перерывах по времени между проходами (дни). Различают тонкое, около 0,01 мкм, покрытие и относительно толстое покрытие 0,2 - 0,5 мкм и более. Для обеспечения двух- или многопроходной пайки следует выбирать толстое покрытие. OSP обеспечивает плоскую поверхность контактных площадок, не содержит свинца и удовлетворяет требованиям RoHS, при соблюдении правил хранения и обращения обеспечивает очень надежное паяное соединение. Тонкое покрытие OSP стоит дешевле, чем HAL. Толстое - практически столько же, сколько и HAL.

Вместе с тем, OSP не обеспечивает покрытие торцов медной контактной площадки припоем в процессе оплавления. Растекаемость припоя по поверхности хуже, чем при покрытии HASL. Поэтому при нанесении пасты отверстия в трафарете следует делать размером, равным контактной площадке. Иначе не вся поверхность площадки будет покрыта припоем (хотя этот дефект является только косметическим, надежность соединения остается очень хорошей). Непокрытая припоем медная поверхность со временем окисляется, что может повлиять негативно на проведение ремонта. Также существует проблема смачивания металлизированных отверстий при пайке волной. Необходимо наносить достаточно большое количество флюса перед пайкой, флюс должен попасть в отверстия, чтобы припой смочил отверстие изнутри и образовал галтель на обратной стороне платы. К недостаткам данного покрытия также относятся: малое время хранения перед использованием, несовместимость с терпеновыми растворителями, ограничения по тестопригодности при внутрисхемном и функциональном тестах (что частично решается нанесением паяльной пасты на контрольные точки). Если вы остановили свой выбор на OSP, рекомендуем применять покрытия ENTEK фирмы Enthone (ENTEK PLUS, ENTEK PLUS HT), как обеспечивающие лучшее сочетание смачиваемости, надежности соединения и многопроходности.

Разработка

Рассмотрим типичный процесс разработки 1-2-х слойной платы.
-Определение габаритов (не принципиально для макетной платы).
-Выбор толщины материала платы из ряда стандартных:
-Наиболее часто используется материал толщиной 1,55 мм.
-Вычерчивание в CAD-программе в слое BOARD габаритов (краёв) платы.
-Расположение крупных радиодеталей: разъёмов и др. Обычно это происходит в верхнем слое (TOP):
-Считается, что уже были определены чертежи каждого компонента, расположение и количество выводов и др. (или используются готовые библиотеки компонентов).
«Разбрасывание» остальных компонентов по верхнему слою, или, реже, по обоим слоям для 2-сторонних плат.
-Запуск трассировщика. При неудовлетворительном результате - перерасположение компонентов. Эти два шага зачастую выполняются десятки или сотни раз подряд.
В некоторых случаях трассировка печатных плат (отрисовка дорожек) производится вручную полностью или частично.
-Проверка платы на ошибки (DRC, Design Rules Check): проверка на зазоры, замыкания, наложения компонентов и др.
-Экспорт файла в формат, принимаемый изготовителем печатных плат, например Gerber.

Изготовление

Под изготовлением печатных плат обычно понимают обработку заготовки (фольгированного материала). Типовой процесс состоит из нескольких этапов: сверловка переходных отверстий, получение рисунка проводников путем удаления излишков медной фольги, металлизация отверстий, нанесение защитных покрытий и лужение, нанесение маркировки.

Получение рисунка проводников

При изготовлении плат используются химические, электролитические или механические методы воспроизведения требуемого токопроводящего рисунка, а также их комбинации.

Химический способ

Химический способ изготовления печатных плат из готового фольгированного материала состоит из двух основных этапов: нанесение защитного слоя на фольгу и травление незащищенных участков химическими методами.

В промышленности защитный слой наносится фотохимическим способом с использованием ультрафиолетово-чувствительного фоторезиста, фотошаблона и источника ультрафиолетового света. Фоторезист бывает жидким или пленочным. Жидкий фоторезист наносят в промышленных условиях так как он чувствителен к несоблюдению технологии нанесения. Пленочный фоторезист популярен при ручном изготовлении плат. Фотошаблон представляет собой УФ-прозрачный материал с распечатанным на нём рисунком дорожек. После экспозиции фоторезист проявляется и закрепляется как и в обычном фотопроцессе.

Защитный слой в виде лака или краски может быть нанесен шелкотрафаретным способом или вручную. Радиолюбители для формирования на фольге травильной маски применяют перенос тонера с изображения, отпечатанного на лазерном принтере («лазерно-утюжная технология»).

Затем незащищенная фольга травится в растворе хлорного железа или (гораздо реже) других химикатов, например медного купороса. После травления защитный рисунок с фольги смывается.

Механический способ

Механический способ изготовления предполагает использование фрезерно-гравировальных станков или других инструментов для механического удаления слоя фольги с заданных участков.
-Металлизация отверстий
-Нанесение покрытий

Возможны такие покрытия как:
-Защитные лаковые покрытия («паяльная маска»).
-Лужение.
-Покрытие фольги инертными металлами (золочение, палладирование) и токопроводящими лаками для улучшения контактных свойств.
-Декоративно-информационные покрытия (маркировка).

Многослойные печатные платы

Многослойные печатные платы (сокращённо МПП[источник?], англ. multilayer printed circuit board) применяются в случаях, когда разводка соединений на двусторонней плате становится слишком сложной. По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа увеличивается количество слоёв на платах.

В многослойных платах внешние слои (а также сквозные отверстия) используются для установки компонентов, а внутренние слои содержат межсоединения либо сплошные планы (полигоны) питания. Для соединения проводников между слоями используются переходные металлизированные отверстия. При изготовлении многослойных печатных плат сначала изготавливаются внутренние слои, которые затем склеиваются через специальные клеящие прокладки (препреги). Далее выполняется прессование, сверление и металлизация переходных отверстий.

Конструкция многослойных печатных плат

Рассмотрим типовую конструкцию многослойной платы (рис. 1). В первом, наиболее распространенном, варианте внутренние слои платы формируются из двустороннего ламинированного медью стеклотекстолита, который называют «ядро». Наружные слои выполняются из медной фольги, спрессованной с внутренними слоями при помощи связующего - смолистого материала, называемого «препрег». После прессования при высокой температуре образуется «пирог» многослойной печатной платы, в котором далее сверлятся и металлизируются отверстия. Менее распространен второй вариант, когда внешние слои формируются из «ядер», скрепляемых препрегом. Это упрощенное описание, на основе данных вариантов существует множество других конструкций. Однако основной принцип состоит в том, что в качестве связующего материала между слоями выступает препрег. Очевидно, что не может быть ситуации, когда соседствуют два двусторонних «ядра» без прокладки из препрега, но структура фольга–препрег–фольга– препрег… и т. д. возможна, и часто используется в платах со сложными сочетаниями глухих и скрытых отверстий.

Глухие и скрытые отверстия

Термин «глухие отверстия » означает переходы, связывающие внешний слой с ближайшими внутренними слоями и не имеющие выхода на второй внешний слой. Он происходит от английского слова blind, и является аналогичным термину «слепые отверстия». Скрытые, или погребенные (от английского buried), отверстия выполнены во внутренних слоях и не имеют выхода наружу. Простейшие варианты глухих и скрытых отверстий показаны на рис. 2. Их применение оправдано в случае очень плотной разводки или для плат, очень насыщенных планарными компонентами с обеих сторон. Наличие этих отверстий приводит к удорожанию стоимости платы от полутора до нескольких раз, но во многих случаях, особенно при трассировке микросхем в корпусе BGA с маленьким шагом, без них не обойтись. Есть различные способы формирования таких переходных отверстий, они более подробно раскрываются в разделе Платы с глухими и скрытыми отверстиями, а пока рассмотрим более подробно материалы, из которых конструируется многослойная плата.

Базовые диэлектрики для печатных плат
Основные виды и параметры материалов, применяемых для изготовления МПП, приведены в таблице 1. Типовые конструкции печатных плат основаны на применении стандартного стеклотекстолита типа FR4, с рабочей температурой, как правило, от –50 до +110 °C, температурой стеклования (разрушения) Tg около 135 °C. Диэлектрическая постоянная Dk у него может быть от 3,8 до 4,5, в зависимости от поставщика и вида материала. При повышенных требованиях к термостойкости или при монтаже плат в печи по бессвинцовой технологии (t до 260 °C) применяется высокотемпературный FR4 High Tg или FR5. При требованиях к постоянной работе на высоких температурах или при резких перепадах температур применяется полиимид. Кроме того, полиимид используют для изготовления плат повышенной надежности, для военных применений, а также в случаях, когда требуется повышенная электрическая прочность. Для плат с СВЧ-цепями (более 2 ГГц) применяются отдельные слои СВЧ-материала, или плата целиком делается из СВЧ-материала (рис. 3). Наиболее известные поставщики специальных материалов - фирмы Rogers, Arlon, Taconic, Dupont. Стоимость этих материалов выше, чем FR4, и условно показана в последнем столбце таблицы 1 относительно стоимости FR4. Примеры плат с разными видами диэлектрика показаны на рис. 4, 5.

Толщина материала
Знание доступных толщин материалов важно инженеру не только для формирования общей толщины платы. При проектировании МПП разработчики сталкиваются с такими задачами, как:
- расчет волнового сопротивления проводников на плате;
- расчет величины межслойной высоковольтной изоляции;
- выбор структуры глухих и скрытых отверстий.
Доступные варианты и толщины различных материалов приведены в таблицах 2–6. Следует учитывать, что допуск на толщину материала обычно составляет до ±10%, поэтому и допуск на толщину готовой многослойной платы не может быть менее ±10%.

Таблица 2. Двусторонние «ядра» FR4 для внутренних слоев печатной платыТолщина диэлектрика и толщина меди 5 мкм 17 мкм 35 мкм 70 мкм 105 мкм
0,050 мм з з
0,075 мм м з з
0,100 мм з з
0,150 мм
0,200 мм м з з
0,250 мм
0,300 мм
0,350 мм м з з
0,400 мм з з
0,450 мм
0,710 мм м з з
0,930 мм м з
1,000 мм з
Более 1 мм з

Как правило, в наличии;
з - По запросу (имеется в наличии не всегда)
м - Можно изготовить;
Примечание: для обеспечения надежности готовых плат важно знать, что для внутренних слоев зарубежные мы предпочитаем использовать ядра с фольгой 35 мкм, а не 18 мкм (даже при ширине проводника и зазора 0,1 мм). Это повышает надежность печатных плат.
Диэлектрическая проницаемость ядер FR4 может составлять от 3.8 до 4.4 в зависимости от марки.

Покрытия площадок печатной платы

Рассмотрим, какие бывают покрытия медных площадок. Наиболее часто площадки покрываются сплавом олово-свинец, или ПОС. Способ нанесения и выравнивания поверхности припоя называют HAL или HASL (от английского Hot Air Solder Leveling - выравнивание припоя горячим воздухом). Это покрытие обеспечивает наилучшую паяемость площадок. Однако на смену ему приходят более современные покрытия, как правило, совместимые с требованиями международной директивы RoHS. Эта директива требует запретить присутствие вредных веществ, в том числе свинца, в продукции. Пока что действие RoHS не распространяется на территорию нашей страны, однако помнить о ее существовании небесполезно. Проблемы, связанные с RoHS, будут описаны нами в одном из последующих разделов, пока же давайте ознакомимся с возможными вариантами покрытия площадок МПП. HASL применяется повсеместно, если нет иных требований. Иммерсионное (химическое) золочение используется для обеспечения более ровной поверхности платы (особенно это важно для площадок BGA), однако имеет несколько более низкую паяемость. Пайка в печи выполняется примерно по той же технологии, что и HASL, но ручная пайка требует применения специальных флюсов. Органическое покрытие, или OSP, защищает поверхность меди от окисления. Его недостаток - малый срок сохранения паяемости (менее 6 месяцев). Иммерсионное олово обеспечивает ровную поверхность и хорошую паяемость, хотя тоже имеет ограниченный срок пригодности для пайки. Бессвинцовый HAL имеет те же свойства, что и свинец-содержащий, но состав припоя - примерно 99,8% олова и 0,2% добавок. Контакты ножевых разъемов, подвергающихся трению при эксплуатации платы, гальваническим способом покрывают более толстым и более жестким слоем золота. Для обоих видов золочения применяется никелевый подслой для предотвращения диффузии золота.

Защитные и другие виды покрытий печатной платы
Для полноты картины рассмотрим функциональное назначение и материалы покрытий печатной платы.
- Паяльная маска - наносится на поверхность платы для защиты проводников от случайного замыкания и грязи, а также для защиты стеклотекстолита от термоударов при пайке. Маска не несет другой функциональной нагрузки и не может служить защитой от влаги, плесени, пробоя и т. д. (за исключением случаев применения специальных видов масок).
- Маркировка - наносится на плату краской поверх маски для упрощения идентификации самой платы и расположенных на ней компонентов.
- Отслаиваемая маска - наносится на заданные участки платы, которые надо временно защитить, например, от пайки. В дальнейшем ее легко удалить, так как она представляет собой резиноподобный компаунд и просто отслаивается.
- Карбоновое контактное покрытие - наносится в определенные места платы как контактные поля для клавиатур. Покрытие имеет хорошую проводимость, не окисляется и износостойко.
- Графитовые резистивные элементы - могут наноситься на поверхность платы для выполнения функции резисторов. К сожалению, точность выполнения номиналов невысока - не точнее ±20% (с лазерной подгонкой- до 5%).
- Серебряные контактные перемычки - могут наноситься как дополнительные проводники, создавая еще один проводящий слой при недостатке места для трассировки. Применяются в основном для однослойных и двусторонних печатных плат.

Заключение
Выбор материалов велик, но, к сожалению, часто при изготовлении малых и средних серий печатных плат камнем преткновения становится наличие нужных материалов на складе завода - производителя МПП. Поэтому перед проектированием МПП, особенно если речь идет о создании нетиповой конструкции и применении нетиповых материалов, надо обязательно договориться с производителем об используемых в МПП материалах и толщинах слоев, а может быть, и заказать эти материалы заблаговременно.