Печа́тная пла́та (англ. printed circuit board, PCB, или printed wiring board, PWB) - пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.
В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги, целиком расположенной на твердой изолирующей основе. Печатная плата содержит монтажные отверстия и контактные площадки для монтажа выводных или планарных компонентов. Кроме того, в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения участков фольги, расположенных на разных слоях платы. С внешних сторон на плату обычно нанесены защитное покрытие («паяльная маска») и маркировка (вспомогательный рисунок и текст согласно конструкторской документации).
В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на:
односторонние (ОПП): имеется только один слой фольги, наклеенной на одну сторону листа диэлектрика.
двухсторонние (ДПП): два слоя фольги.
многослойные (МПП): фольга не только на двух сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика. Многослойные печатные платы получаются склеиванием нескольких односторонних или двухсторонних плат.
По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа, увеличивается количество слоёв на платах.
Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как стеклотекстолит, гетинакс. Также 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.
Какой материал будем использовать для изготовления плат
Самые распространненые, доступные материалы для изготовления плат - это Гетинакс и Стеклотекстолит. Гетинакс-бумага пропитанная бакелитовым лаком, текстолит стекловолокно с эпоксидкой. Однозначно будем использовать стеклотекстолит!
Стеклотекстолит фольгированный представляет собой листы, изготовленные на основе стеклотканей, пропитанных связующим на основе эпоксидных смол и облицованные с двух сторон медной электролитической гальваностойкой фольгой толщиной 35 мкм. Предельно допустимая температура от -60ºС до +105ºС. Имеет очень высокие механические и электроизоляционные свойства, хорошо поддается механической обработке резкой, сверлением, штамповкой.
Стеклотекстолит в основном используется одно или двухсторонний толщиной 1.5мм и с медной фольгой толщиной 35мкм или 18мкм. Мы будем использовать односторонний стеклотекстолит толщиной 0.8мм с фольгой толщиной 35мкм (почему будет подробно рассмотрено далее).
Методы изготовления печатных плат дома
Платы можно изготавливать химическим методом и механическим.
При химическом методе в тех местах где должны быть дорожки (рисунок) на плате на фольгу наносится защитный состав (лак, тонер, краска и т.д.). Далее плата погружается в специальный раствор (хлорное железо, перекись водорода и другие) который «разъедает» медную фольгу, но не действует на защитный состав. В итоге под защитным составом остается медь. Защитный состав в дальнейшем удаляется растворителем и остаётся готовая плата.
При механическом методе используется скальпель (при ручном изготовлении) или фрезерный станок. Специальная фреза делает бороздки на фольге, в итоге оставляя островки с фольгой - необходимый рисунок.
Фрезерные станки довольно дорогое удовольствие, а также сами фрезы дороги и имеют небольшой ресурс. Так что, этот метод мы не будем использовать.
Самый простой химический метод - ручной. Ризографом лаком рисуются дорожки на плате и потом травим раствором. Этот метод не позволяет делать сложные платы, с очень тонкими дорожками - так что это тоже не наш случай.
Следующий метод изготовления плат - с помощью фоторезиста. Это очень распространненая технология (на заводе платы делаются как раз этим методом) и она часто используется в домашних условиях. В интернет очень много статей и методик изготовления плат по этой технологии. Она дает очень хорошие и повторяемые результаты. Однако это тоже не наш вариант. Основная причина - довольно дорогие материалы (фоторезист, который к тому же портится со временем), а также дополнительные инструменты (УФ ламка засветки, ламинатор). Конечно, если у вас будет объемное производство плат дома - то фоторезист вне конкуренции - рекомендуем освоить его. Также стоит отметить, что оборудование и технология фоторезиста позволяет изготовливать шелкографию и защитные маски на платы.
С появлением лазерных принтеров радиолюбители стали активно их использовать для изготовления плат. Как известно, для печати лазерный принтер использует «тонер». Это специальный порошок, который под температурой спекается и прилипает к бумаге - в итоге получается рисунок. Тонер устойчив к различным химическим веществам, это позволяет использовать его как защитное покрытие на поверхности меди.
Итак, наш метод состоит в том, чтобы перенести тонер с бумаги на поверхность медной фольги и потом протравить плату специальным раствором для получения рисунка.
В связи с простотой использования данный метод заслужил очень большое распространение в радиолюбительстве. Если вы наберете в Yandex или Google как перенести тонер с бумаги на плату - то сразу найдёте такой термин как «ЛУТ» - лазерно утюжная технология. Платы по этой технологии делаются так: печатается рисунок дорожек в зеркальном варианте, бумага прикладывается к плате рисунком к меди, сверху данную бумагу гладим утюгом, тонер размягчяется и прилипает к плате. Бумага далее размачивается в воде и плата готова.
В интернет «миллион» статей о том как сделать плату по этой технологии. Но у данной технологии есть много минусов, которые требуют прямых рук и очень долгой пристройки себя к ней. То есть ее надо почувствовать. Платы не выходят с первого раза, получаются через раз. Есть много усовершенствований - использовать ламинатор (с переделкой - в обычном не хватает температуры), которые позволяют добиться очень хороших результатов. Даже есть методы построения специальных термопрессов, но все это опять требует специального оборудования. Основные недостатки ЛУТ технологии:
перегрев - дорожки растекаются - становятся шире
недогрев - дорожки остаютяся на бумаге
бумага «прижаривается» к плате - даже при размокании сложно отходит - в итоге может повредится тонер. Очень много информации в интернете какую бумагу выбрать.
Пористый тонер - после снятия бумаги в тонере остаются микропоры - через них плата тоже травится - получаются изъеденные дорожки
повторяемость результата - сегодня отлично, завтра плохо, потом хорошо - стабильного результат добиться очень сложно - нужна строго постоянная температура прогрева тонера, нужно стабильное давление прижима платы.
К слову, у меня этим методом не получилось сделать плату. Пробовал делать и на журналах, и на мелованной бумаге. В итоге даже платы портил - от перегрева вздувалась медь.
В интернет почему-то незаслуженно мало информации про еще один метод переноса тонера - метод холодного химического переноса. Он основан на том факте, что тонер не растворяется спиртом, но растворяется ацетоном. В итоге, если подобрать такую смесь ацетона и спирта, которая будет только размягчать тонер - то его можно «переклеить» на плату с бумаги. Этот метод мне очень понравился и сразу дал свои плоды - первая плата была готова. Однако, как оказалось потом, я нигде не смог найти подробной информации, которая давала бы 100% результат. Нужен такой метод, которым плату мог сделать даже ребёнок. Но на второй раз плату сделать не вышло, потом опять и пришло долго подбирать нужные ингридиенты.
В итоге после долгих была разработана последовательность действий, подобраны все компоненты, которые дают если не 100% то 95% хорошего результата. И самое главное процесс настолько простой, что плату может сделать ребенок полностью самостоятельно. Вот этот метод и будем использовать. (конечно его можно и далее доводить до идеала - если у вас выйдет лучше - то пишите). Плюсы данного метода:
все реактивы недорогие, доступные и безопасные
не нужны дополнительные инструменты (утюги, лампы, ламинаторы - ничего, хотя нет - нужна кастрюля)
нет возможности испортить плату - плата вообще не нагревается
бумага отходит сама - видно результат перевода тонера - где перевод не вышел
нет пор в тонере (они заклеиваются бумагой) - соответственно нет протравов
делаем 1-2-3-4-5 и получаем всегда один и тот же результат - почти 100% повторяемость
Прежде чем начать, посмотрим какие платы нам нужны, и что мы сможем сделать дома данным методом.
Основные требования к изготовленным платам
Мы будем делать приборы на микроконтроллерах, с применением современных датчиков и микросхем. Микросхемы становятся все меньше и меньше. Соответственно необходимо выполнение следующих требований к платам:
платы должны быть двух сторонними (как правило развести одностороннюю плату очень сложно, сделать дома четырехслойные платы довольно сложно, микроконтроллерам нужен земляной слой для защиты от помех)
дорожки должны быть толщиной 0.2мм - такого размера вполне достаточно - 0.1мм было бы еще лучше - но есть вероятность протравов, отхода дорожек при пайке
промежутки между дорожками - 0.2мм - этого достаточно практически для всех схем. Уменьшение зазора до 0.1мм чревато сливанием дорожек и сложностью в контроле платы на замыкания.
Мы не будем использовать защитные маски, а также делать шелкографию - это усложнит производство, и если вы делаете плату для себя, то в этом нет нужды. Опять же в интернет много информации на эту тему, и если есть желание вы можете навести «марафет» самостоятельно.
Мы не будем лудить платы, в этом тоже нет необходимости (если только вы не делаете прибор на 100лет). Для защиты мы будем использовать лак. Основная наша цель - быстро, качественно, дёшево в домашних условиях сделать плату для прибора.
Вот так выглядит готовая плата. сделанная нашим методом - дорожки 0.25 и 0.3, расстояния 0.2
Как сделать двухстороннюю плату из 2-ух односторонних
Одна из проблем изготовления двухсторонних плат - это совмещение сторон, так чтобы переходные отверстия совпадали. Обычно для этого делается «бутерброд». На листе бумаги печатается сразу 2 стороны. Лист сгибается пополам, на просвет точно совмещаются стороны с помощью специальных меток. Внутрь вкладывается двухсторонний текстолит. При методе ЛУТ такой бутерброд проглаживается утюгом и получается двухсторонняя плата.
Однако, при методе холодного переноса тонера сам перенос осуществляется с помощью жидкости. И поэтому очень сложно организовать процесс смачивания одной стороны одновременно с другой стороной. Это конечно тоже можно сделать, но с помощью специального приспособления - мини пресса (тисков). Берутся плотные листы бумаги - которые впитывают жидкость для переноса тонера. Листы смачиваются так, чтобы жидкость не капала, и лист держал форму. И дальше делается «бутерброд» - смоченный лист, лист туалетной бумаги для впитывания лишней жидкости, лист с рисунком, плата двухсторонняя, лист с рисунком, лист туалетной бумаги, опять смоченный лист. Все это зажимается вертикально в тиски. Но мы так делать не будем, мы поступим проще.
На форумах по изготовлению плат проскочила очень хорошая мысль - какая проблема делать двухстороннюю плату - берем нож и режем текстолит пополам. Так как стеклотекстолит - это слоеный материал, то это не сложно сделать при опредленной сноровке:
В итоге из одной двухсторонней платы толщиной 1.5мм получаем две односторонние половинки.
Далее делаем две платы, сверлим и все - они идеально совмещены. Ровно разрезать текстолит не всегда получалось, и в итоге пришла идея использовать сразу тонкий односторонний текстолит толщиной 0.8мм. Две половинки потом можно не склеивать, они будут держаться за счет запаяных перемычек в переходных отверстиях, кнопок, разъемов. Но если это необходимо без проблем можно склеить эпоксидным клеем.
Основные плюсы такого похода:
Текстолит толщиной 0,8мм легко режется ножницами по бумаге! В любую форму, то есть очень легко обрезать под корпус.
Тонкий текстолит - прозрачный - посветив фонарем снизу можно легко проверить корректность всех дорожек, замыкания, разрывы.
Паять одну сторону проще - не мешают компоненты на другой стороне и легко можно контролировать спайки выводов микросхем- соединить стороны можно в самом конце
Сверлить надо в два раза больше отверстий и отверстия могут чуть-чуть не совпасть
Немного теряется жёсткость конструкции если не склеивать платы, а склеивать не очень удобно
Односторонний стеклотекстолит толщиной 0.8мм трудно купить, в основном продается 1.5мм, но если не удалось достать, то можно раскроить ножем более толстый текстолит.
Перейдем к деталям.
Необходимые инструменты и химия
Нам понадобятся следующие ингридиенты:
Теперь когда все это есть, делаем по шагам.
1. Компоновка слоев платы на листе бумаги для печати c помощью InkScape
Автоматический цанговый набор:
Мы рекомендуем первый вариант - он дешевле. Далее необходимо к мотору припаять провода и выключатель (лучше кнопку). Кнопку лучше разместить на корпусе, чтобы удобнее было быстро включать и выключать моторчик. Остается подобрать блок питания, можно взять любой блок питания на 7-12в током 1А (можно и меньше), если такого блока питания нет, то может подойти зарядка по USB на 1-2А или батарейка Крона (только надо пробовать - не все зарядки любят моторы, мотор может не запустится).
Дрель готова, можно сверлить. Но вот только необходимо сверлить строго под углом 90градусов. Можно соорудить мини станок - в интернет есть различные схемы:
Но есть более простое решение.
Кондуктор для сверления
Чтобы сверлить ровно под 90 градусов достаточно изготовить кондуктор для сверления. Мы будем делать вот такой:
Изготовить его очень легко. Берем квадратик любого пластика. Кладем нашу дрель на стол или другую ровную поверхность. И сверлим в пластике нужным сверлом отверстие. Важно обеспечить ровное горизонтальное смещение дрели. Можно прислонить моторчик к стене или рейке и пластик тоже. Далее большим сверлом рассверлить отверстие под цангу. С обратной стороны рассверлить или срезать кусок пластика, чтобы было видно сверло. На низ можно приклеить нескользящую поверхность - бумагу или резинку. Такой кондуктор надо сделать под каждое сверло. Это обеспечит идеально точное сверление!
Такой вариант тоже подойдет, срезать сверху часть пластика и срезать уголок снизу.
Вот как производится сверление с его помощью:
Зажимаем сверло так, чтобы оно торчало на 2-3мм при полном погружении цанги. Ставим сверло на место где надо сверлить (при травлении платы у нас будет оставаться метка где сверлить в виде мини отверстия в меди - в Kicad мы специально ставили галку для этого, так что сверло будет само вставать туда), прижимаем кондуктор и включаем мотор - отверстие готово. Для подстветки можно использовать фонарик, положив его на стол.
Как уже мы писали ранее, сверлить можно только отверстия с одной стороны - там где подходят дорожки - вторую половину можно досверлить уже без кондуктора по направляющему первому отверстию. Это немного экономит силы.
8. Лужение платы
Зачем лудить платы - в основном для защиты меди от корозии. Основной минус лужения - перегрев платы, возможная порча дорожек. Если у вас нет паяльной станции - однозначо - не лудите плату! Если она есть, то риск минимальный.
Можно лудить плату сплавом РОЗЕ в кипящей воде, но он дорого стоит и его сложно достать. Лудить лучще обычным припоем. Чтобы сдеалать это качественно, очень тонким слоем надо сделать простое приспособление. Берем кусочек оплетки для выпайки деталей и одеваем ее на жало, прикручиваем проволокой к жалу, чтобы она не соскочила:
Плату покрываем флюсом - например ЛТИ120 и оплетку тоже. Теперь в оплетку набираем олово и ей водим по плате (красим)- получается отличный результат. Но по мере использования оплетка расподается и на плате начинают оставаться ворскинки медные - их обязательно надо убрать, а то будет замыкание! Увидеть это очень легко посветив фонарем с обратной стороны платы. При таком методе хорошо использовать или мощный паяльник (60ват) или сплав РОЗЕ.
В итоге, платы лучше не лудить, а покрывать лаком в самом конце- например PLASTIC 70, или простой акриловый лак купленный в автозапчастях KU-9004:
Тонкий тюнинг метода переноса тонера
В методе есть два момента, которые поддаются тюнингу, и могут не получиться сразу. Для их настройки, необходимо в Kicad сделать тестовую плату, дорожки по квадратной спирали разной толщины, от 0.3 до 0.1 мм и с разными промежутками, от 0.3 до 0.1 мм. Лучше сразу распечатать несколько таких образцов на одном листе и провести подстройку.
Возможные проблемы, которые мы будем устранять:
1) дорожки могут менять геометрию - растекаться, становится шире, обычно очень не значительно, до 0.1мм - но это не хорошо
2) тонер может плохо прилипать к плате, отходить при снятии бумаги, плохо держаться на плате
Первая и вторая проблема взаимосвязаны. Решаю первую, вы приходите ко второй. Надо найти компромисс.
Дорожки могут растекаться по двум причинам - слишкой большой груз прижима, слишком много ацетона в составе полученной жидкости. В первую очередь надо попробовать уменьшить груз. Минимальный груз - около 800гр, ниже уменьшать не стоит. Соответственно груз кладем без всякого прижима - просто ставим сверху и все. Обязательно должно быть 2-3 слоя туалетной бумаги для хорошего впитывания лишнего раствора. Вы должны добиться того, что после снятия груза, бумага должна быть белая, без фиолетовых подтеков. Такие подтеки говорят о сильном расплавлении тонера. Если грузом отрегулировать не получилось, дорожки все равно расплываются, то увеличиваем долю жидкости для снятия лака в растворе. Можно увеличить до 3 части жидкости и 1 часть ацетона.
Вторая проблема, если нет нарушения геометрии, говорит о недостаточном весе груза или малом количестве ацетона. Начать опять же стоит с груза. Больше 3кг смысла не имеет. Если тонер все равно плохо держится на плате, то надо увеличить количество ацетона.
Эта проблема в основном возникает, когда вы меняете жидкость для снятия лака. К сожалению, это не постоянный и не чистый компонент, но на другой его заменить не получилось. Пробовал заменить его спиртом, но видимо получается не однородная смесь и тонер прилипает какими-то вкраплениями. Также жидкость для снятия лака может содержать ацетон, тогда ее надо будет меньше. В общем, такой тюнинг вам надо будет провести один раз, пока не закончится жидкость.
Плата готова
Если вы не будете сразу запаивать плату, то ее необходимо защитить. Самый простой способ сделать это - покрыть спиртоканифольным флюсом. Перед пайкой это покрытие надо будет снять например изопропиловым спиртом.
Альтернативные варианты
Вы также можете сделать плату:
Дополнительно, сейчас набирает популярность сервис изготовления плат на заказ - например Easy EDA . Если необходима более сложная плата (например 4-х слойная) - то это единственный выход.
Для изготовления печатной платы нам необходимо выбрать следующие материалы: материал для диэлектрического основания печатной платы, материал для печатных проводников и материал защитного покрытия от воздействия влаги. Сначала мы определим материал для диэлектрического основания печатной платы.
Существует большое разнообразие фольгированных медью слоистых пластиков. Их можно разделить на две группы:
– на бумажной основе;
– на основе стеклоткани.
Эти материалы в виде жестких листов формируются из нескольких слоев бумаги или стеклоткани, скрепленных между собой связующим веществом путем горячего прессования. Связующим веществом обычно являются фенольная смола для бумаги или эпоксидная для стеклоткани. В отдельных случаях могут также применяться полиэфирные, силиконовые смолы или фторопласт. Слоистые пластики покрываются с одной или обеих сторон медной фольгой стандартной толщины.
Характеристики готовой печатной платы зависят от конкретного сочетания исходных материалов, а также от технологии, включающей и механическую обработку плат.
В зависимости от основы и пропиточного материала различают несколько типов материалов для диэлектрической основы печатной платы.
Фенольный гетинакс - это бумажная основа, пропитанная фенольной смолой. Гетинаксовые платы предназначены для использования в бытовой аппаратуре, поскольку очень дешевы.
Эпоксидный гетинакс - это материал на такой же бумажной основе, но пропитанный эпоксидной смолой.
Эпоксидный стеклотекстолит - это материал на основе стеклоткани, пропитанный эпоксидной смолой. В этом материале сочетаются высокая механическая прочность и хорошие электрические свойства.
Прочность на изгиб и ударная вязкость печатной платы должны быть достаточно высокими, чтобы плата без повреждений могла быть нагружена установленными на ней элементами с большой массой.
Как правило, слоистые пластики на фенольном, а также эпоксидном гетинаксе не используются в платах с металлизированными отверстиями. В таких платах на стенки отверстий наносится тонкий слой меди. Так как температурный коэффициент расширения меди в 6-12 раз меньше, чем у фенольного гетинакса, имеется определенный риск образования трещин в металлизированном слое на стенках отверстий при термоударе, которому подвергается печатная плата в машине для групповой пайки.
Трещина в металлизированном слое на стенках отверстий резко снижает надежность соединения. В случае применения эпоксидного стеклотекстолита отношение температурных коэффициентов расширения примерно равно трем, и риск образования трещин в отверстиях достаточно мал.
Из сопоставления характеристик оснований следует, что во всех отношениях (за исключением стоимости) основания из эпоксидного стеклотекстолита превосходят основания из гетинакса. Печатные платы из эпоксидного стеклотекстолита характеризуются меньшей деформацией, чем печатные платы из фенольного и эпоксидного гетинакса; последние имеют степень деформации в десять раз больше, чем стеклотекстолит.
Некоторые характеристики различных типов слоистых пластиков представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Характеристики различных типов слоистых пластиков
Сравнивая эти характеристики, делаем вывод, что для изготовления двусторонней печатной платы следует применять только эпоксидный стеклотекстолит. В данном курсовом проекте выбран стеклотекстолит марки СФ-2-35-1,5.
В качестве фольги, используемой для фольгирования диэлектрического основания, можно использовать медную, алюминиевую или никелевую фольгу. Однако алюминиевая фольга уступает медной, так как плохо поддаётся пайке, а никелевая имеет высокую стоимость. Поэтому в качестве фольги выбираем медь.
Медная фольга выпускается различной толщины. Стандартные толщины фольги наиболее широкого применения - 17,5; 35; 50; 70; 105 мкм. Во время травления меди по толщине травитель воздействует также на медную фольгу со стороны боковых кромок под фоторезистом, вызывая так называемое «подтравливание». Чтобы его уменьшить обычно применяют более тонкую медную фольгу толщиной 35 и 17,5 мкм. Поэтому выбираем медную фольгу толщиной 35 мкм.
1.7 Выбор метода изготовления печатной платы
Все процессы изготовления печатных плат можно разделить на субтрактивные и полуаддитивные.
Субтрактивный процесс (subtraction -отнимать) получения проводящего рисунка заключается в избирательном удалении участков проводящей фольги путем травления.
Аддитивный процесс (additio -прибавлять) - в избирательном осаждении проводящего материала на не фольгированный материал основания.
Полуаддитивный процесс предусматривает предварительное нанесение тонкого (вспомогательного) проводящего покрытия, впоследствии удаляемого с пробельных мест.
В соответствии с ГОСТ 23751 – 86 конструирование печатных плат следует осуществлять с учетом следующих методов изготовления:
– химического для ГПК
– комбинированного позитивного для ДПП
Металлизации сквозных отверстий для МПП
Таким образом, данная печатная плата, разрабатываемая в курсовом проекте, будет изготавливаться на основе двустороннего фольгированного диэлектрика комбинированным позитивным методом. Этот метод дает возможность получать проводники шириной до 0,25 мм. Проводящий рисунок получают субтрактивным методом.
 |
2 РАСЧЁТ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОВОДЯЩЕГО РИСУНКА
2.1 Расчет диаметров монтажных отверстий
Конструктивно-технологический расчет печатных плат производится с учетом производственных погрешностей рисунка проводящих элементов, фотошаблона, базирования, сверления и т.п. Граничные значения основных параметров печатного монтажа, которые могут быть обеспечены при конструировании и производстве для пяти классов плотности монтажа, приведены в таблице 4.
Таблица 4 – Граничные значения основных параметров печатного монтажа
| Условное обозначение параметра * | Номинальные значения основных размеров для класса точности | ||||
| t, мм | 0,75 | 0,45 | 0,25 | 0,15 | 0,10 |
| S, мм | 0,75 | 0,45 | 0,25 | 0,15 | 0,10 |
| b, мм | 0,30 | 0,20 | 0,10 | 0,05 | 0,025 |
| g | 0,40 | 0,40 | 0,33 | 0,25 | 0,20 |
| ∆t, мм | +- 0,15 | +- 0,10 | +- 0,05 | +- 0,03 | 0; -0,03 |
В таблице указанно:
t – ширина проводника;
S – расстояние между проводниками, контактными площадками, проводником и контактной площадкой или проводником и металлизированным отверстием;
b – расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки данного отверстия (гарантийный поясок);
g – отношение минимального диаметра металлизированного отверстия к толщине платы.
Выбранные в соответствии с таблицей 1 размеры необходимо согласовать с технологическими возможностями конкретного производства.
Предельные значения технологических параметров конструктивных элементов печатной платы (таблица 5) получены в результате анализа производственных данных и экспериментальных исследовании точности отдельных операций.
Таблица 5 – Предельные значения технологических параметров
| Наименование коэффициента | Обозначения | Величина |
| Толщина предварительно осажденной меди, мм | h пм | 0,005 – 0,008 |
| Толщина наращенной гальванической меди, мм | h г | 0,050 – 0,060 |
| Толщина металлического резиста, мм | h р | 0,020 |
| Погрешность расположения отверстия относительно координатной сетки, обусловленная точностью сверлильного станка, мм. | d o | 0,020 – 0,100 |
| Погрешность базирования плат на сверлильном станке, мм | d б | 0,010 – 0,030 |
| Погрешность расположения относительно координатной сетки на фотошаблоне контактной площадки, мм | d ш | 0,020 – 0,080 |
| Погрешность расположения относительно координатной сетки на фотошаблоне проводника, мм | d ш t | 0,030 – 0,080 |
| Погрешность расположения печатных элементов при экспонировании на слое, мм | d э | 0,010 – 0,030 |
| Погрешность расположения контактной площадки на слое из-за нестабильности его линейных размеров, % от толщины | dм | 0 – 0,100 |
| Погрешность расположения базовых отверстий на заготовке, мм | dз | 0,010 – 0,030 |
Продолжение таблицы 5
Минимальный диаметр металлизированного (переходного) отверстия:
d min V H расч ´ g = 1,5 ´ 0,33 =0,495 мм;
где g = 0,33 - плотность печатного монтажа для третьего класса точности.
H расч – толщина фольгированного диэлектрика платы.
Наша компания изготавливает печатные платы из высококачественных отечественных и импортных материалов, начиная от типового FR4 и заканчивая СВЧ-материалами ФАФ.
Типовые конструкции печатных плат основаны на применении стандартного стеклотекстолита типа FR4, 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 по бессвинцовой технологии (t до 260 °C) применяется высокотемпературный FR4 High Tg или FR5.
Базовые материалы для печатных плат:
|
Толщина меди, мкм Толщина диэлектрика,мм |
5 | 18 | 35 | 50 | 70 |
| Фольга медная | |||||
| 0.0 | +/- | + | + | ||
| Односторонний FR-4 | |||||
| 0.10 | +/- | +/- | |||
| 0.15 | +/- | ||||
| 1,00 | + | ||||
| 1,50 | + | ||||
| 2,00 | + | ||||
| СФ 2,00 | + | ||||
| Двухсторонний FR-4 | |||||
| СТФ 0,20 | +/- | ||||
| 0,25 | + | ||||
| 0,36 | + | ||||
| 0,51 | + | ||||
| 0,71 | +/- | + | |||
| 1,00 | + | + | |||
| 1,50 | +/- | + | + | +/- | +/- |
| СФ 1,50 | +/- | ||||
| 2,00 | + | +/- | +/- | ||
| 2,50 | +/- | +/- | |||
| 3,00 | +/- | +/- | |||
| Двухсторонний МИ 1222 | |||||
| 1,50 | +/- | ||||
| 2,00 | +/- | ||||
| Двухсторонний ФАФ-4Д | |||||
| 0,50 | +/- | ||||
| 1,00 | +/- | ||||
| 1,50 | +/- | ||||
| 2,00 | + | ||||
"+" - Как правило, в наличии
"+/-" - По запросу (имеется в наличии не всегда)
Препрег ("связующий" слой) для многослойных печатных плат
FR-4
Стеклотекстолит фольгированный с номинальной толщиной 1,6 мм, облицованный медной фольгой толщиной 35 мкм с одной или двух сторон. Стандартный FR-4 толщиной 1,6 мм состоит из восьми слоев ("препрегов") стеклотекстолита. На центральном слое обычно находится логотип производителя, цвет его отражает класс горючести данного материала (красный - UL94-VO, синий - UL94-HB). Обычно, FR-4 - прозрачен, стандартный зелёный цвет определяется цветом паяльной маски, нанесённой на законченную печатную плату
- объемное электрическое сопротивление после кондиционирования и восстановления (Ом х м): 9,2 х 1013;
- поверхностное электрическое сопротивление (Ом): 1,4 х1012;
- прочность на отслаивание фольги после воздействия гальванического раствора (Н/мм): 2,2;
- горючесть (вертикальный метод испытания): класс Vо.
МИ 1222
представляет собой слоистый прессованный материал на основе стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим, облицованный с одной или двух сторон медной электролитической фольгой.
- поверхностное электрическое сопротивление (Ом): 7 х 1011;
- удельное объемное электрическое сопротивление (Ом): 1 х 1012;
- диэлектрическая проницаемость (Ом х м): 4,8;
- прочность на отслаивание фольги (Н/мм): 1,8.
ФАФ-4Д
представляют собой армированный стеклотканью фторопласт, облицованный с обеих сторон медной фольгой. Применение:- в качестве оснований печатных плат работающих в диапазоне СВЧ; - электрическая изоляция для печатных элементов приемно-передающей аппаратуры;- способны длительно работать в интервале температур от +60 до +250° С.
- Прочность сцепления фольги с основанием на полоску 10 мм, Н (кгс), не менее 17,6(1,8)
- Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106 Гц, не более7 х 10-4
- Диэлектрическая проницаемость при частоте 1 МГц 2,5 ± 0,1
- Выпускаемые размеры листов, мм (предельное отклонение по ширине и длине листа 10 мм.) 500х500
T111
материал из теплопроводящего полимера на основе керамики с алюминиевым основанием, используются в том случае, когда предполагается использовать компоненты, выделяющие значительную тепловую мощность (например сверхяркие светодиоды, лазерные излучатели и т.д.). Основными свойствами материала являются отличное рассеяние тепла и повышенная электрическая прочность диэлектрика при воздействии высоких напряжений:
- Толщина алюминиевого основания - 1.5 мм
- Толщина диэлектрика - 100 мкм
- Толщина медной фольги - 35 мкм
- Теплопроводность диэлектрика - 2.2 W/mK
- Тепловое сопротивление диэлектрика - 0.7°C/W
- Теплопроводность алюминиевой подложки (5052 - аналог АМг2,5) - 138 W/mK
- Напряжение пробоя - 3 KV
- Температура стеклования (Tg) - 130
- Объёмное сопротивление - 108 MΩ×см
- Поверхностное сопротивление - 106 MΩ
- Наибольшее рабочее напряжение(CTI) - 600V
Защитные паяльные маски, применяемые при производстве печатных плат
Паяльная маска (она же «зеленка») - слой прочного материала, предназначенного для защиты проводников от попадания припоя и флюса при пайке, а также от перегрева. Маска закрывает проводники и оставляет открытыми контактные площадки и ножевые разъемы. Способ нанесения паяльной маски аналогичен нанесению фоторезиста - при помощи фотошаблона с рисунком площадок нанесённый на ПП материал маски засвечивается и полимеризуется, участки с площадками для пайки оказываются незасвеченными и маска смывается с них после проявки. Чаще всего паяльная маска наносится на слой меди. Поэтому перед её формированием защитный слой олова снимают - иначе олово под маской вспучится от нагревания платы при пайке.
PSR-4000 H85
Зеленого цвета, жидкая фоточувствительная термотверждаемая, толщиной 15-30 мкм, фирмы TAIYO INK (Япония).
Имеет одобрение на использование следующих организаций и производителей конечных изделий: NASA, IBM, Compaq, Lucent, Apple, AT&T, General Electric, Honeywell, General Motors, Ford, Daimler-Chrysler, Motorola, Intel, Micron, Ericsson, Thomson, Visteon, Alcatel, Sony, ABB, Nokia, Bosch, Epson, Airbus, Philips, Siemens, HP, Samsung, LG, NEC, Matsushita(Panasonic), Toshiba, Fujitsu, Mitsubishi, Hitachi, Toyota, Honda, Nissan и многих-многих других;
IMAGECURE XV-501
Цветная (красная, чёрная, синяя, белая), жидкая двухкомпонентная паяльная маска, фирмы Coates Electrografics Ltd (Англия), толщина 15-30 мкм;
DUNAMASK KM
Сухая, пленочная маска фирмы DUNACHEM (Германия), толщина 75 мкм, обеспечивает тентирование переходных отверстий, обладает высокой адгезией.
Продолжительность: 2 часа (90 мин.)
25.1 Основные вопросы
Материалы оснований ПП;
Материалы для создания элементов печатного рисунка;
Технологические материалы для изготовления ПП.
25.2 Текст лекции
25.2.1 Базовые м атериалы оснований ПП – до 40 мин
К базовым материалам печатных плат относятся:
фольгированные (с одной или с двух сторон) и нефольгированные диэлектрики (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, стеклоткань, лавсан, полиимид, фторопласт и др.), керамические материалы и металлические (с поверхностным диэлектрическим слоем) пластины, из которых изготавливают основания печатных плат;
изоляционный прокладочный материал (склеивающие прокладки – препреги), используемый для склеивания слоев МПП.
Для защиты поверхности ПП от внешних воздействий применяют полимерные защитные лаки и покрывные защитные пленки.
При выборе материала основания ПП необходимо обратить внимание на следующее: предполагаемые механические воздействия (вибрации, удары, линейное ускорение и т. п.); класс точности ПП (расстояние между проводниками); реализуемые электрические функции; быстродействие; условия эксплуатации; стоимость.
Материал основания должен хорошо сцепляться с металлом проводников, обладать высокой механической прочностью, сохранять свои свойства при воздействии климатических факторов, иметь близкий коэффициент теплового расширения по сравнению с металлом проводников.
Выбор материала определяется:
электроизоляционными свойствами;
механической прочностью;
стабильностью параметров при воздействии агрессивных сред и изменяющихся условий;
обрабатываемостью;
себестоимостью.
Фольгированные диэлектрики выпускаются с проводящим покрытием из медной (реже никелевой или алюминиевой) электролитической фольги толщиной от 5 до 105 мкм. Для улучшения прочности сцепления фольга с одной стороны покрыта слоем хрома толщиной 1…3 мкм. Фольга характеризуется чистотой состава (примесей не более 0,05%), пластичностью. Фольгирование осуществляют прессованием при температуре 160…180 0 С и давлении 5…15 МПа.
Нефольгированные диэлектрики выпускают двух типов:
с адгезионным (клеевым) слоем толщиной 50…100 мкм, (например, эпоксикаучуковой композиции), который наносят для повышения прочности сцепления осаждаемой в процессе изготовления ПП химической меди;
с введенным в объем диэлектрика катализатором, способствующим осаждению химической меди.
В качестве диэлектрического основания жестких ПП используются слоистые пластики, состоящие из наполнителя (электроизоляционной бумаги, ткани, стеклоткани) и связующего вещества (фенольной или фенолоэпоксидной смолы). К слоистым пластикам относятся гетинакс, текстолит и стеклотекстолит.
Гетинакс изготовляется на основе бумаги, применяется при нормальных климатических условиях эксплуатации для бытовой аппаратуры. Обладает низкой стоимостью, хорошей обрабатываемостью, высоким водопоглощением.
Текстолит изготовляют на основе хлопчатобумажной ткани.
Стеклотекстолиты изготовляют на основе стеклоткани. По сравнению с гетинаксами, стеклотекстолиты имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, меньшее влагопоглощение. Однако у них есть ряд недостатков: худшая механическая обрабатываемость; более высокая стоимость; существенное различие (примерно в 30 раз) коэффициента теплового расширения меди и стеклотекстолита в направлении толщины материала, что может привести к разрыву металлизации в отверстиях при пайке или в процессе эксплуатации.
Для изготовления ПП, эксплуатируемых в условиях повышенной опасности возгорания, применяют огнестойкие гетинаксы и стеклотекстолиты. Повышение огнестойкости диэлектриков достигается путем введения в их состав антипиренов.
Введение в лак, пропитывающий стеклоткань, 0,1…0,2% палладия или закиси меди повышает качество металлизации, но незначительно снижает сопротивление изоляции.
Для изготовления ПП, обеспечивающих надежную передачу наносекундных импульсов, необходимо применять материалы с улучшенными диэлектрическими свойствами (уменьшенным значением диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь). Поэтому к перспективным относится применение оснований из органических материалов с относительной диэлектрической проницаемостью ниже 3,5. В качестве основы для ПП СВЧ-диапазона используют неполярные полимеры (фторопласт, полиэтилен, полипропилен).
Для изготовления ГПП и ГПК, выдерживающих многократные изгибы, применяют диэлектрики на основе полиэфирной пленки (лавсан или полиэтилентерефталат), фторопласт, полиимид и т.п.
Изоляционный прокладочный материал (препреги) изготавливают из стеклоткани, пропитанной недополимеризованной термореактивной эпоксидной смолой (или другими смолами); из полиимида с нанесенным с двух сторон адгезионным покрытием и других материалов.
В качестве материала основания ПП может использоваться керамика.
Достоинством керамических ПП является лучший теплоотвод от активных элементов, высокая механическая прочность, стабильность электрических и геометрических параметров, снижение уровня помех, низкое водопоглощение и газовыделение.
Недостаток керамических плат – хрупкость, большая масса и малые габариты (до 150х150 мм), длительный цикл изготовления и большая усадка материала, высокая стоимость.
ПП на металлическом основании используют в изделиях с большой токовой нагрузкой, при повышенных температурах. В качестве материала основания используют алюминий, титан, сталь, медь, сплав железа с никелем. Для получения изолирующего слоя на металлическом основании используются специальные эмали, керамика, эпоксидные смолы, полимерные пленки и т.п., изолирующий слой на алюминиевом основании могут получать анодным оксидированием.
Недостаток металлических эмалированных плат – высокая диэлектрическая постоянная эмали, что исключает их использование в высокочастотной аппаратуре.
Металлическую основу ПП часто используют в качестве шин питания и земли, в качестве экрана.
25.2.2 Материалы элементов печатного рисунка – до 35 мин
В качестве материала элементов печатного рисунка (проводников, контактных площадок, концевых контактов и пр.) применяют металлические покрытия. Для создания основного токоведущего слоя чаще всего используется медь. В керамических ПП используется графит.
Используемые для создания металлических покрытий материалы представлены в таблице 25.1.
Таблица 25.1 – Металлические покрытия, используемые при создании элементов печатного рисунка
|
Покрытие |
Толщина, мкм |
Назначение |
|
Создание основного токоведущего слоя, соединение проводящих слоев |
||
|
Сплав Розе | ||
|
Сплав олово-свинец |
Защита от коррозии, обеспечение паяемости |
|
|
Золотое и золотые сплавы (золото-никель, золото-кобальт и др.) |
Улучшение электропроводности, внешнего вида, снижение переходного сопротивления, защита от коррозии |
|
|
Серебряное |
Улучшение электропроводности |
|
|
Серебро-сурьма |
Улучшение электропроводности, повышение износоустойчивости контактов переключателей и концевых контактов |
|
|
Палладиевое |
Снижение переходного сопротивления, повышение износоустойчивости контактов переключателей и концевых контактов |
|
|
Химический никель – иммерсионное золото Химический никель – химический палладий Иммерсионное золото Химическое олово |
Финишное покрытие контактных площадок и ламелей |
|
|
Никелевое |
Защита от коррозии, повышение износоустойчивости контактов переключателей и концевых контактов |
|
|
Повышение износоустойчивости и твердости контактов переключателей и концевых контактов |
25.2.3 Технологические (расходные) м атериалы для изготовления ПП – до 15 мин
К технологическим материалам для изготовления ПП относятся фоторезисты, специальные трафаретные краски, защитные маски, электролиты меднения, травления и пр.
Требования к расходным материалам определяются конструкцией ПП и технологическим процессом изготовления.
Фоторезисты должны обеспечивать необходимую разрешающую способность при получении рисунка схемы и соответствующую химическую стойкость. Фоторезисты могут быть жидкие и сухие пленочные (СПФ).
Применяют фоторезисты негативные и позитивные. При использовании негативных фоторезистов экспонированные области заготовки ПП остаются на плате, а неэкспонированные вымываются при проявлении. В случае использования позитивных фоторезисторов экспонированные участки вымываются при проявлении.
Травильные растворы должны быть совместимы с применяемым при травлении резистом, быть нейтральны к изоляционным материалам, иметь высокую скорость травления. В качестве травящего электролита широко применяют кислые и щелочные растворы хлорной меди, растворы на основе хлорного железа, растворы на основе персульфата аммония, железо-медно-хлоридные растворы.
Все материалы должны быть экономичны и безопасны для окружающей среды.
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.
>
Рис 1. Пример двухслойной печатной плат ы с защитной паяльной маской и маркировкой.
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.
>
Рис 2. Расстояние от площадки до маски (а) и маркировка (b)
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:
слои САПР (проводящие и непроводящие) | описание |
Top silkscreen - верхний слой маркировки (непроводящий) |
|
Top soldermask – верхний слой паяльной маски (непроводящий) |
|
Top paste mask – верхний слой паяльной пасты (непроводящий) |
|
Top Layer 1 – первый/верхний слой (проводящий) |
|
Int Layer 2 – второй/внутренний слой (проводящий) |
|
Substrate - базовый диэлектрик (непроводящий) |
|
Bottom Layer n - нижний слой(проводящие) |
|
Bottom paste mask - Нижний слой паяльной пасты (непроводящий) |
|
Bottom soldermask Нижний слой паяльной маски (непроводящий) |
|
Bottom silkscreen Нижний слой маркировки (непроводящий) |
|
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.
>
Рис 3. Пример 3 различных структур печатных плат : 2-х слойная(а), 4-х слойная (b) и 6-и слойная(с)
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:
Описание |
||
корпуса для монтаж а в отверстия, которые имеют контакты, предназначенные для сквозной установки через монтаж ные отверстие в печатной плат е. Такие компоненты паяются на противоположной стороне плат ы , где был вставлен компонент. Как правило, эти компоненты смонтированы только на одной стороне печатной плат ы . |
||
SMD / SMT | корпуса для поверхностного монтаж а , которые паяются на одну сторону плат ы , где помещен компонент. Преимущество этого вида компоновки корпуса является то, что он может быть установлен на обе стороны печатной плат ы и кроме того, эти компоненты меньше чем корпуса для монтаж а в отверстия и позволяют проектировать плат ы меньших габаритов и с более плотной разводкой проводников на печатных плат а х. |
|
(Ball Grid Array- массив шариков -тип корпуса поверхностно-монтируемых интегральных микросхем). BGA выводы представляют собой, шарики из припоя, нанесённые на контактные площадки с обратной стороны микросхемы. Микросхему располагают на печатной плат е и нагревают с помощью паяльной станции или инфракрасного источника, так что шарики начинают плавиться. Поверхностное натяжение заставляет расплавленный припой зафиксировать микросхему ровно над тем местом, где она должна находиться на плат е. У BGA длина проводника очень мала, и определяется расстоянием между плат ой и микросхемой, таким образом, применение BGA позволяет увеличить диапазон рабочих частот и увеличить скорость обработки информации. Так же технология BGA имеет лучший тепловой контакт между микросхемой и плат ой, что в большинстве случаев избавляет от установки теплоотводов, поскольку тепло уходит от кристалла на плат у более эффективно. Чаще всего BGA используется в компьютерных мобильных процессорах, чипсетах и современных графических процессорах. |
||
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.
>
Рис 4. Площадки для поверхностного монтаж а (IC1, R1) и контактные площадки для монтаж а в отверстия (Q1, PW).
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.
>
Рисунок 5. Соединение двумя проводниками двух SMD микросхем.
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.
>
Рис 8. Сравнение переходного сквозного отверстие и глухих переходных отверстий.
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 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.
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.
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.
>
Рисунок 11. Примеры металлических защитных покрытий - олово-свинец, иммерсионное золочение, иммерсионное олово, гальваническое золочение ножевых разъёмов.
