Из какого материала делают печатные платы. Базовые материалы для производства печатных плат. Наглядное изображение материала

Базовый материал – основной носитель устройства монтажа и электронных схем печатной платы. Базовый материал поставляется производителю печатных плат в виде «панели» и обрезается под необходимый размер для производства конкретной платы. Существует множество базовых материалов для печатных плат с различной толщиной и покрытиями, так же как и различными электрическими и механическими свойствами, которые влияют на функциональность электронной схемы. См. также Материалы ПП. Часто базовый материал выполнен из стекловолокна с эпоксидной смолой (FR4), доступный в виде, фольгированном медью или препрег.

Гетинакс фольгированный - спрессованные слои электроизоляционной бумаги, пропитанной фенольной или эпоксифенольной смолой в качестве связующего вещества, облицованные с одной или двух сторон медной фольгой.

Гибкость изоляционного материала – задаётся числом циклов изгиба вокруг оправки, диаметр которой равен нескольким значениям толщины гибкого участка.

Жесткое золочение - электролитическое жесткое золочение – это защищенная от трения поверхность, используемая для золотых выводов. Мы гальванически наносим никель на медную дорожку. Затем на никель наносится золото.

Катаная медная фольга – имеет относительное удлинение в 5-6 раз больше, чем у электролитической фольги, поэтому обладает большей гибкостью, способностью к перегибам, а также способностью к механической обработке без расслоения. Является дорогостоящей. Применяется при производстве гибких печатных плат .

Материал основания печатной платы – материал (диэлектрик), на котором выполняют рисунок печатной платы.

Неупрочнённые базовые материалы – медная фольга, покрытая смолой с состоянием В – частично заполимеризованная смола или с состоянием С – полностью заполимеризованная смола, а также жидкие диэлектрики и диэлектрики с нанесенной сухой пленкой.

Нефольгированные диэлектрики бывают двух типов. 1. С клеевым слоем, который наносят для повышения прочности сцепления осаждаемой в процессе изготовления ПП меди химическим способом; 2. С введенным в объем диэлектрика катализатором, способствующим осаждению химической меди.

Печатная плата с толстой медью - обычно платой с толстой медью называется печатная плата с толщиной меди> 105µm. Такие платы используются для высоких токов переключения в автомобильной и промышленной электронике и для специфических запросов клиента. Медь предлагает самый высокий коэффициент теплопроводности после серебра.
Платы с толстым слоем меди позволяют:
Высокие токи переключения
Оптимальная теплоотдача при местном нагревании
Увеличение жизни, надежности и уровня интеграции
При этом при разработке платы должны быть приняты особые меры предосторожности касательно процесса травления, допустимы только более широкие структуры проводников.

Препреги – изоляционный прокладочный материал, используемый для склеивания слоёв МПП. Изготавливаются из стеклоткани, пропитанной недополимеризованной термореактивной эпоксидной или другими смолами.

САФ (препрег с низкой тягучестью, low flow prepreg) – склеивающий материал с регулируемой текучестью, который используется при изготовлении ГЖП, обладает адгезией как к стеклотекстолиту, так и полиимиду.

Соединение золотом - поверхность печатной платы Bond gold - это собирательный термин для поверхностей, способных к соединению, обычно золотых поверхностей. Для соединения применяются: иммерсионное золочение по подслою никеля (ENIG) для соединения алюминиевых проводов (Al), мягкое золото с электролитическим покрытием для соединения золотых проводов (Au) и ENEPIG (иммерсионное золочение по подслою никеля и палладия), которое подходит для обоих методов соединения.
Толщина золотого слоя при химическом (иммерсионном) золочении составляет около 0.3-0.6µm, при электролитическом (мягком) золочении около 1.0-2.0µm и около 0.05-0.1µm золота плюс 0.05-0.15µm палладия для ENEPIG. Слои золота базируются на приблизительно 3.0-6.0µm никеля.

Стеклотекстолит фольгированный – спрессованные слои стеклоткани, пропитанные эпоксифенольной или эпоксидной смолой. По сравнению с гетинаксом имеет лучшие механические и электрические свойства, более высокую нагревостойкость, меньшее влагопоглощение.

Технологические (расходные) материалы для изготовления ПП – фоторезисты, специальные трафаретные краски, защитные маски, электролиты меднения, травления и пр.

Упрочнённые базовые материалы и препреги – разработанные специально для лазерной технологии нетканые стекломатериалы с заданной геометрией элементарной нити и заданным распределением нити (плоской стороной в направлении оси Z), органические материалы с неориентированным расположением волокон (арамид), препрег для лазерной технологии, стандартные конструкции на основе стеклоткани и пр.

Фольгированные диэлектрики – состоят из стеклоткани, изготовленной из нитей; смолы, используемой для пропитывания стеклоткани; фольги, используемой в качестве металлического покрытия фольгированных материалов.

Фольгированный и нефольгированный полиимид – применяется в электронной аппаратуре ответственного назначения, работающей при высоких температурах, для изготовления гибких печатных плат, ГПК, гибко-жёстких печатных плат, а также многослойных печатных плат, лент-носителей интегральных схем, и больших гибридных интегральных схем с числом выводов до 1000.

Электролитическая медная фольга – недорогостоящая; применяется при изготовлении ГПК с высокой плотностью рисунка проводников. Обладает более высокой разрешающей способностью при травлении меди с пробельных мест по сравнению с катаной.

CEM 1 - это базовый материал для печатных плат, сделанный из многослойной бумаги. СЕМ 1 имеет основу из бумаги, пропитанной эпоксидной смолой, и один внешний слой из стекловолокна. Из-за бумажной основы этот материал не подходит для металлизации сквозных отверстий. Спецификация материала содержится в документе IPC-4101.

IMDS – Международная система данных по материалам (International Material Data System) . IMDS (www.mdsystem.com) была разработана производителями автомобилей для сбора состава материалов, используемых в автомобилях, деталях, устройствах и системах, чтобы идентифицировать индивидуальные компоненты материала каждой машины или под-группы (например, двигателя).
С момента вступление в силу Директивы ELV (06/21/2003), поставщики автомобильной отрасли стали обязаны предоставлять данные об ингредиентах их продуктов в рамках IMDS, чтобы определить темпы восстановления, имеющиеся в распоряжении.
Должны быть зарегистрированы в IMDS:
Печатные платы
Смонтированные печатные платы
Компоненты
ZVEI и Автомобильная отрасль подписали документ Данные по материалам для сборки – Сотрудничество по декларированию данных по материалам:
Подразделение Электронных компонентов и систем и подразделение печатных плат и электронных систем в ZVEI – немецкая Ассоциация электронных и электрических производителей разработали эффективную концепцию декларирования данных по материалам электронных компонентов и печатных плат. Данные по материалам должны быть получены путем формирования кросс-корпоративных продуктовых групп и типовыми значениями. Эти таблицы данных по материалам, называемые «зонтичные» спецификации, значительно упрощают декларирование без заметных потерь в точности. Эта концепция успешно применяется в автомобильной индустрии с 2004 года.
Чтобы применять «Зонтичные спецификации» вместе с системой IMDS, IMDS выпустили рекомендации 019 «Печатные платы». Эти рекомендации описывают метод ввода содержания материалов смонтированных печатных плат.
Выдержка из пункта 5. Стандартные правила и руководства для E/E (компонент печатной платы) из IMDS Рекомендаций 019: «Данные по компонентам печатной платы в IMDS, Umbrella Spec, IPC1752 или похожем формате принимаются, если это согласовано между бизнес партнерами».
«Зонтичные» спецификации для IMDS, разработанные ZVEI с производителями печатных плат.
Динамичная программа делает простым подсчет субстанций, содержащихся в печатной плате любого размера. Поверхность и количество слоев находятся в свободном выборе. Стандартные технологии хранятся в базе данных.

RoHS - директива о запрете вредных веществ. Данное положение законодательства Европейского Союза говорит, что электронные устройства не могут содержать свинец или другие вредные вещества. Для печатных плат выполнение RoHS контролируется по двум компонентам: базовый материал и поверхность.

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

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.

Качество поставляемых материалов соответствует стандарту IPC4101B, система управления качеством производителей подтверждена международными сертификатами ISO 9001:2000.

FR 4 – стеклотекстолит класса огнестойкости 94V-0 - является наиболее распространенным материалом для производства печатных плат. Наша компания поставляет следующие виды материалов для производства одно-, и двусторонних печатных плат :

• Стеклотекстолит FR4 с температурой стеклования 135ºС , 140ºС и 170ºС для производства односторонних и двухсторонних печатных плат. Толщиной 0,5 - 3,0 мм с фольгой 12, 18, 35, 70, 105 мкм.
• Базовый FR4 для внутренних слоев МПП с температурой стеклования 135ºС, 140ºС и 170ºС
• Препреги FR4 с температурой стеклования 135ºС, 140ºС и 170ºС для прессования МПП
• Материалы XPC , FR1 , FR2 , CEM-1 , CEM-3 , НА-50
• Материалы для плат с контролируемым отводом тепла:
  • (алюминий, медь, нержавеющая сталь) с диэлектриком теплопроводностью от 1 Вт/м*К до 3 Вт/м*К производства Totking и Zhejiang Huazheng New Material Co.
  • Материал HA-30 CEM-3 с теплопроводностью 1 Вт/м*К для производства одно- и двухсторонних печатных плат.

Для некоторых целей бывает необходим высококачественный нефольгированный диэлектрик, обладающий всеми достоинствами FR4 (хорошие диэлектрические свойства, стабильность характеристик и размеров, высокая устойчивость к воздействию неблагоприятных климатических условий). Для этих применений мы можем предложить нефольгированный стеклотекстолит FR4 .

Во многих случаях, где требуются достаточно простые печатные платы (при производстве бытовой аппаратуры, различных датчиков, некоторых комплектующих к автомобилям и т.п.) превосходные свойства стеклотекстолита оказываются избыточными, и на первый план выходят показатели технологичности и стоимости. Здесь мы можем предложить следующие материалы:

• XPC , FR1 , FR2 - фольгированные гетинаксы (основа из целлюлозной бумаги, пропитанной фенольной смолой), широко применяется при изготовлении печатных плат для бытовой электроники, аудио-, видео техники, в автомобилестроении (расположены в порядке возрастания показателей свойств, и, соответственно, цены). Прекрасно штампуются.
• CEM-1 - ламинат на основе композиции целлюлозной бумаги и стеклоткани с эпоксидной смолой. Прекрасно штампуется.

Также в нашем ассортименте есть электроосажденная медная фольга для прессования МПП производства Kingboard. Фольга поставляется в рулонах различной ширины, толщина фольги 12, 18, 35, 70, 105 мкм, фольга толщиной 18 и 35 мкм практически всегда доступна с нашего склада в России.

Все материалы произведены в соответствии с директивой RoHS, содержание вредных веществ подтверждено соответствующими сертификатами и RoHS тест-репортами. Также все материалы, на многие позиции имеются сертификаты, и др.

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.

Электронная печатная плата (русская аббревиатура — ПП, английская — PCB) представляет собой листовую панель, где размещаются взаимосвязанные микроэлектронные компоненты. Печатные платы используются в составе разной электронной техники, начиная от простых квартирных звонков, бытовых радиоприёмников, студийных радиостанций и завершая сложными радиолокационными, компьютерными системами. Технологически изготовление печатных плат электроники предполагает создание связей токопроводящим «плёночным» материалом. Такой материал наносится («печатается») на пластине-изоляторе, получившей наименование — подложка.

Электронные печатные платы отметили начало пути становления и развития системами электрических соединений, разработанных в середине XIX века.

Металлические полосы (стержни) изначально применялись громоздких электрических компонентов, смонтированных на древесном основании.

Постепенно металлические полосы вытеснили проводники с винтовыми клеммными колодками. Деревянную основу тоже модернизировали, отдав предпочтение металлу.

Примерно таким выглядел прототип современного производства ПП. Подобные решения конструирования применялись в середине XIX века

Практика применения компактных, малых по размерам электронных деталей, требовала уникального решения по базовой основе. И вот, в 1925 году некто Чарльз Дюкасс (США) нашёл такое решение.

Американский инженер предложил уникальный способ организации электрических связей на изолированной пластине. Он использовал электропроводящие чернила и трафарет для переноса принципиальной схемы на пластину.

Чуть позже — в 1943 году, англичанин Пол Эйслер также запатентовал изобретение травления токопроводящих контуров на медной фольге. Инженер использовал пластину-изолятор, ламинированную фольгированным материалом.

Однако активное применение технологии Эйслера отметилось лишь в период 1950-60 годов, когда изобрели и освоили производство микроэлектронных компонентов — транзисторов.

Технологию изготовления сквозных отверстий на многослойных печатных платах запатентовала фирма Hazeltyne (США) в 1961 году.

Так, благодаря увеличению плотности электронных деталей и тесному расположению связывающих линий, открылась новая эра дизайна печатных плат.

Электронная печатная плата – изготовление

Обобщённое видение процесса: отдельно взятые электронные детали распределяются по всей площади подложки-изолятора. Затем установленные компоненты связываются пайкой с цепями схемы.

Так называемые контактные «пальцы» (штырьки) располагаются по крайним областям подложки и выступают системными разъемами.

Через контактные «пальцы» организуется связь с периферийными печатными платами или подключение внешних цепей управления. Электронная печатная плата рассчитана под разводку схемы, поддерживающей одну функцию или одновременно несколько функций.

Изготавливаются три вида электронных печатных плат:

1. Односторонние.
2. Двусторонние.
3. Многослойные.

Односторонние печатные электронные платы отличаются размещением деталей исключительно на одной стороне. Если комплектные детали схемы не вмещаются на односторонней плате, применяется двухсторонний вариант.

Материал изготовления подложки

Подложка, традиционно используемая в составе печатных электронных плат, обычно делается на основе стекловолокна в сочетании с эпоксидной смолой. Подложка покрывается медной фольгой по одной или двум сторонам.

Печатные платы электроники, изготовленные на основе бумаги с фенольной смолой, также покрытые плёночной медью, считаются экономически выгодными для производства. Поэтому чаще других вариаций используются под оснащение бытовой электронной техники.

Разводка связей выполняется методом покрытия, либо методом травления медной поверхности подложки. Медные дорожки покрывают оловянно-свинцовым составом с целью защиты от коррозии. Контактные штыри на печатных платах покрывают слоем олова, затем никеля и под завершение золотят.

Выполнение операций на обвязку

Технология поверхностного монтажа предполагает использование прямой (J-образная) или угловой (L-образная) ветвей. За счёт таких ветвей каждая электронная деталь напрямую обвязывается с печатной схемой.

Применением комплексной пасты (клей+флюс+припой) электронные детали временно удерживаются в точке контакта. Удержание продолжается до момента, когда печатная электронная плата заводится в печь. Там припой плавится и соединяет схемные детали.

Несмотря на сложности с размещением компонентов, технология поверхностного монтажа обладает другим важным преимуществом.

Эта методика исключает длительный процесс сверления и внедрение связывающих прокладок, как это практикуется для устаревшего метода сквозных отверстий. Однако обе технологии продолжают активно использоваться.

Дизайн электронных печатных плат

Каждая отдельно взятая печатная плата электроники (партия плат) предназначена под уникальный функционал. Разработчики электронных печатных плат обращаются к системам проектирования и специализированному «ПО» для компоновки схемы на печатной плате.

Разрыв между токопроводящими дорожками обычно измеряется значениями не более 1 мм. Рассчитываются точки расположения отверстий для компонентных проводников или контактных точек.

Вся эта информация переводится под формат ПО компьютера, управляющего сверлильным станком. Аналогичным образом программируется автоматический для изготовления электронных печатных плат.

Как только схема цепей выложена, негатив изображения схемы (маска) переносится на прозрачный лист пластика. Области негативного изображения, не входящие в образ схемы, отмечены черным цветом, а непосредственно схема остаётся прозрачной.

Промышленное изготовление печатных плат электроники

Технологии изготовления печатных плат электроники предусматривают условия производства с чистой средой. Атмосфера и объекты производственных помещений контролируются автоматикой на присутствие загрязнений.

Многие компании-производители электронных печатных плат практикуют уникальные производства. А в стандартном виде изготовление двухсторонней печатной электронной платы традиционно предусматривает следующие шаги:

Изготовление основания

1. Берётся стекловолокно и пропускается через технологический модуль.
2. Пропитывается эпоксидной смолой (погружением, распылением).
3. Стекловолокно прокатывают на станке до желаемой толщины подложки
4. Сушка подложки в печи и раз на крупные панели.
5. Панели располагаются стопками, чередуясь с медной фольгой и подложкой, покрытой клеем.

Наконец, стопки помещают под пресс, где при температуре170°C и давлении 700 кг/мм 2 , прессуют 1-2 часа. Эпоксидная смола твердеет, медная фольга связывается под прессом с материалом подложки.

Сверление и лужение отверстий

1. Берутся несколько панелей подложки, укладываются одна на другую, жёстко закрепляются.
2. Сложенная стопка помещается в станок с ЧПУ, где высверливаются отверстия по схемному рисунку.
3. Сделанные отверстия очищаются от излишков материала.
4. Внутренние поверхности токопроводящих отверстий покрываются медью.
5. Непроводящие отверстия остаются без покрытия.

Производство рисунка схемы печатной электронной платы

Образец схемы печатной платы создаётся посредством аддитивного либо субтрактивного принципа. В случае аддитивного варианта, подложка покрывается медью по желаемой схеме. При этом необработанной остаётся часть вне схемы.

Субтрактивным процессом, прежде всего, покрывается общая поверхность подложки. Затем отдельные участки, не входящие в рисунок схемы, вытравливаются либо вырезаются.

Как проходит аддитивный процесс?

Фольгированная поверхность подложки предварительно обезжиривается. Панели проходят вакуумную камеру. За счёт вакуума слой положительного фоторезистивного материала плотно обжимается по всей фольгированной площади.

Положительным материалом для фоторезиста выступает полимер, обладающий способностью растворимости под излучением ультрафиолета. Условия вакуума исключают возможный остаток воздуха между фольгой и фоторезистом.

Шаблон схемы укладывается поверх фоторезиста, после чего панели подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолета. Поскольку маска оставляет прозрачными области схемы, фоторезист в этих точках попадает под УФ излучение и растворяется.

Затем маска снимается, а панели опыляются щелочным раствором. Этот, своего рода проявитель, помогает растворить облучённый фоторезист по границам областей рисунка схемы. Так, медная фольга остаётся открытой на поверхности подложки.

Далее панели гальванируются медью. Медная фольга выступает катодом в процессе гальванизации. Открытые участки гальванируются до толщины 0,02-0,05 мм. Области, остающиеся под фоторезистом, не гальванируются.

Медные разводы покрывают дополнительно оловянно-свинцовым составом или иным защитным покрытием. Этими действиями предотвращается окисление меди и создаётся резист на следующую стадию производства.

Ненужный фоторезист удаляется с подложки с помощью кислотного растворителя. Медная фольга между рисунком схемы и покрытием обнажается. Так как медь схемы печатной платы защищена оловянно-свинцовым составом, здесь проводник не подвержен воздействию кислоты.

Техника промышленного изготовления электронных плат