Технология изготовления печатных плат

1. Введение

В техническом прогрессе ЭВМ  играют значительную роль: они значительно  облегчают работу человека в различных  областях промышленности, инженерных исследованиях, автоматическом управлении и т.д.    

 

Особенностями производства ЭВМ на современном этапе являются:

·                     Использование большого количества стандартных элементов. Выпуск этих элементов в больших количествах и высокого качества – одно из основных требований вычислительного машиностроения. Массовое производство стандартных блоков с использованием новых элементов, унификация элементов создают условия для автоматизации их производства.

·                     Высокая трудоёмкость сборочных и монтажных работ, что объясняется наличием большого числа соединений и сложности их выполнения вследствие малых размеров.

·                     Наиболее трудоёмким процессом в производстве ЭВМ занимает контроль операций и готового изделия. 

·                     Основным направлением при разработке и создании печатных плат является широкое применение автоматизированных методов проектирования с использованием ЭВМ, что значительно облегчает процесс разработки и сокращает продолжительность всего технологического цикла.

Основными достоинствами печатных плат являются:

·                     Увеличение плотности монтажа и возможность микро-миниатюризации изделий.

·                     Гарантированная стабильность электрических характеристик.

·                     Повышенная стойкость к климатическим и механическим воздействиям.

·                     Унификация и стандартизация конструктивных изделий.

·                     Возможность комплексной автоматизации монтажно-сборочных работ.

 

2. Типы печатных плат

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

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

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

·  Односторонние печатные платы

·  Двухсторонние печатные платы

·  Многослойные печатные платы

·  Гибкие печатные платы

·  Рельефные печатные платы (РПП)

·  Высокоплотная односторонняя печатная плата

2.1. Односторонние печатные  платы

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

Маршрут изготовления односторонних  плат традиционно включает сверление, фотолитографию, травление медной фольги, защиту поверхности и подготовку к пайке, разделение заготовок. Стоимость  односторонних плат составляет 0,1 - 0,2 от стоимости двухсторонних плат, это делает их вполне конкурентными, особенно в сфере бытовой электроники. Отметим, однако, что для современных электронных устройств, даже бытового назначения, односторонние платы часто требуют контурного фрезерования, нанесения защитных маскирующих покрытий, их сборка ведется с посадкой кристаллов непосредственно на плату или поверхностным монтажом.  Пример такой платы в сборе, используемой в цифровом спидометре - альтиметре горного велосипеда, показан справа.

    

Типовые параметры плат:

· Макс. размеры заготовки - 400 мм x 330 мм

· Минимальный диаметр отверстия - 0,6 мм

· Минимальная ширина проводника - 0,15 мм

· Минимальный зазор - 0,15 мм

· Толщина фольги - 36 мкм

· Толщина платы - 0,4 - 1,6 мм

 
 
 

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

2.2. Двухсторонние печатные  платы

Двухсторонние платы составляют в  настоящее время значительную долю объема выпуска плат, например, в  Великобритании до 47 %. Не претендуя  на однозначность оценок, а опираясь лишь на собственную статистику последних  трех лет, можно оценить долю двухсторонних  плат в российском производстве в 65 - 75%. 
     Столь значительное внимание разработчиков к этому виду плат объясняется своеобразным компромиссом между их относительно малой стоимостью и достаточно высокими возможностями.      Технологический процесс изготовления двухсторонних плат, также как односторонних, является частью более общего процесса изготовления многослойных ПП. Однако для двухсторонних плат не требуется применять прессования слоев, значительно проще выполняется очистка отверстий после сверления.  
     Вместе с тем, для большинства двухсторонних плат за рубежом проектные нормы "проводник / зазор" составляют 0,25 / 0,25 мм(40% от объема выпуска), 0,2 / 0,2 мм (18%) и 0,15 / 0,15 мм (18%). Это позволяет использовать такие платы для изготовления широкого круга современных изделий, они вполне пригодны как для монтажа в отверстия, так и для поверхностного монтажа. Нередко на проводники двухсторонних плат наносится золотое покрытие (фото слева), а для металлизации отверстий используется серебро (фото справа).

    

Типовые параметры двухсторонних  плат:

·                Максимальные размеры заготовки - 300x250...500х500 мм

·                Минимальный диаметр отверстия - 0.4...0,6 мм

·                Минимальная ширина проводника - 0,15 мм

·                Минимальный зазор - 0,15 мм

·                Толщина фольги - 18..36 мкм

·                Толщина платы - 0,4 - 2,0 мм    

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

2.3. Многослойные печатные  платы

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

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

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

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

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

Специально для поверхностного монтажа разработаны микро-переходы, соединяющие между собой контактные площадки и сигнальные слои.

Для изготовления МПП производится соединение нескольких ламинированных фольгой диэлектриков между собой, для чего используются склеивающие  прокладки - препреги. Поэтому толщина  МПП растет непропорционально быстро с ростом числа сигнальных слоев.

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

Тем не менее, даже учитывая трудности  с металлизацией узких сквозных отверстий, изготовители МПП предпочитают достигать высокой плотности  монтажа за счет большего числа относительно дешевых слоев, нежели меньшим числом высокоплотных но, соответственно, более дорогих слоев.

В современных МПП широко применяется  поверхностный монтаж всех видов  современных интегральных схем, включая, как это показано на рисунке, бескорпусных схем, заливаемых компаундом после разварки выводов.

2.4. Гибкие печатные платы

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

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

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

	Односторонние ГПП наиболее распространены в этом классе плат, поскольку проявляют наилучшую динамическую гибкость. Контактные площадки таких плат расположены с одной стороны, в качестве материала проводящей фольги чаще всего используется медь.
	Односторонние ГПП с двухсторонним  доступом имеют один проводящий слой, контактные площадки к которому выполнены с обеих сторон платы.
	Двухсторонние ГПП имеют два проводящих слоя, которые могут быть соединены сквозными металлизированными переходами (на рисунке проводники нижнего слоя идут перпендикулярно проводникам верхнего слоя). Платы этого типа обеспечивают высокую плотность монтажа, часто применяются в электронных устройствах с контролируемым полным сопротивлением (импедансом) плат.
	Многослойные ГПП содержат не менее трех проводящих слоев, соединенных металлизированными отверстиями, которые обеспечивают межслойное соединение. В таких платах проще реализовывать высокую плотность монтажа, поскольку не требуется обеспечивать большие значения соотношений "высота/диаметр отверстия". Прогнозируется применение таких ГПП для сборки на них многокристальных интегральных схем.
	Жестко-гибкие ПП являются гибридными конструкциями и содержат как жесткие, так и гибкие основания, скрепленные между собой в единую сборку и электрически соединенные металлизированными отверстиями. Наиболее распространены в изделиях оборонной техники, однако расширяется их применение и в промышленной электронике.
	ГПП с местным ужесточением (укреплением).В таких платах возможно размещение внутри гибкой основы жестких металлических деталей. Получаются многоэтапным процессом фотолитографии и травления.

 

3. Подготовка информации

В современных условиях разработка топологии печатной платы и ее подготовка к производству выполняются, как правило, разными специалистами: конструкторами и технологами.

Их интересы зачастую противоречивы: конструктор обычно стремится к  максимальной плотности монтажа, технолог же вынужден учитывать возможности  реального производства и проводить  технологическую правку исходной топологии, как правило, несколько загрубляя ее.

Зачастую компромисс дается не просто. Не случайно опрос Британских производителей печатных плат показал,что в числе своих основных проблем они видят слишком малые размеры "проводник-зазор" (52 %) и плохое взаимопонимание с разработчиками (30 %).

3.1. CAD системы

Общие сведения о системах проектирования.

В последние несколько лет заметна  тенденция резкого сокращения сроков проектирования новых изделий и  одновременно возрастание требованиям  к их качественным характеристикам. Важно отметить , что создание любого электронного устройства включает в себя следующие этапы :

1.         Формирование технического задания на разработку , определение структуры и алгоритмов функционирования системы.

2.         Разработка принципиальной электрической схемы и перечня элементов.

3.         Моделирование или макетирование отдельных узлов или всего устройства в целом.

4.         Разработка конструкции ПП и выпуск комплекта конструкторской и технологической документации.

5.         Подготовка к производству и изготовление ПП.

6.         Сборка, настройка и регулировка изделия.

Данные системы позволяют реализовать  следующие технические возможности:

·                создание символов элементов принципиальной электрической схемы и их физических образов - корпусов;

·                графический ввод принципиальной электрической схемы и конструктивов плат проектируемого устройства;

·                одно- и двухстороннее размещение разногабаритных элементов с планарными и штыревыми выводами на поле ПП с печатными и навесными шинами питания в интерактивном и автоматическом режимах;

·                ручную и автоматическую трассировку печатных проводников произвольной ширины в интерактивном режиме ( число слоев 1…32);

·                автоматизированный контроль результатов проектирования ПП на соответствие принципиальной электрической схеме и конструкторско- технологическим ограничениям;

·                автоматическую коррекцию принципиальной электрической схемы по результатам размещения элементов на ПП;

·                полуавтоматическую корректировку разработанной ПП по изменениям, дополнительно внесенным в принципиальную электрическую схему;