Материал для электронных плат. Материалы для конструирования печатных плат. Что такое FR5

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:

"+" - 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.

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

Стеклотекстолит чаще других материалов применяется для изготовления основания жесткой платы. Стеклотекстолит обладает хорошими диэлектрическими свойствами, механической прочностью и химической стойкостью, долговечностью и безопасностью, допускается эксплуатация стеклотекстолита в условиях повышенной влажности. Наиболее важные характеристики материала – электроизолирующие свойства и вторая по значимости характеристика – температура стеклования Tg, ограничивающая область применения. Температура перехода материала из твердого состояния в пластичное состояние – температура стеклования . Чем выше температура стеклования смолы, тем меньше коэффициент линейного расширения диэлектрика, приводящего к разрушению проводников платы. Значение температуры стеклования зависит от молекулярного веса молекул смолы, используемой при изготовлении материала. Появление и увеличение эластичности происходит в некотором диапазоне температур. Центральная величина внутри этого диапазона называется температурой стеклования. Увеличение температуры стеклования возможно при совершенствовании технологии производства стеклотекстолита.

Стеклотекстолит – материал, изготавливаемый методом горячего прессования нескольких слоев стеклоткани, пропитанных связующим составом – эпоксидной или фенолформальдегидной смолой. Существует множество марок выпускающихся для различных условий эксплуатации. Выработаны различные требования к технологии изготовления. Температура воспламенения различных марок стеклотекстолита от 300 до 500 °С. СТЭФ распространенная отечественная марка стеклотекстолита расшифровывается как стеклотекстолит эпоксиднофенольный. СТЭФ-1 отличается от СТЭФ только технологией изготовления делающей его более пригодным для механической обработки. СТЭФ-У имеет улучшенные механические и электроизолирующие свойства по сравнению с маркой СТЭФ-1.

Разновидностью этого материала является фольгированный стеклотекстолит, использующийся в производстве плат.

Фольгированным материалом называют материал основания платы, имеющий с одной или двух сторон проводящую фольгу – листовой проводниковый материал, предназначенный для образования проводящего рисунка платы. От качества и параметров применяемого материала зависит успех производства плат и надежность изготавливаемого прибора.

Фольгированный стеклотекстолит имеет множество марок. Для производства плат используются отечественные марки в соответствии с ГОСТ выпускающиеся нашими производителями: СФ, СОНФ-У, СТФ, СТНФ, СНФ, ДФМ-59, СФВН и марки импортных стеклотекстолитов FR-4, FR-5, CEM-3 имеющие множество модификаций. Для изготовления плат предназначенных для работы в условиях нормальной и повышенной влажности при температуре от -60 до +85 °С применяется марка СФ, имеющая множество типов, один из них СФ-1-35Г .

Обозначения в наименовании СФ-1-35Г:

• СФ - стеклотекстолит фольгированный
• 1 - односторонний
• 35 - Толщина фольги 35 микрон
• Г - гальваностойкая фольга

Для производства большинства электронных приборов можно применять марку СОНФ-У , ее температура эксплуатации от -60 до +155 °С. Обозначения в наименовании: С и Ф – стеклотекстолит фольгированный, ОН – общего назначения, У - содержит бромсодержащую добавку и относится к классу негорючих пластиков. Толщина фольги размещенной на основании имеет значения из ряда 18, 35, 50, 70, 105 микрон. Толщина фольгированного стеклотекстолита находится в диапазоне от 0,5 до 3 мм .

FR-4 огнеупорный (Fire Retardent) импортный фольгированный стеклотекстолит. FR-4 на сегодня самая распространенная марка материала для производства печатных плат. Высокие технологические и эксплуатационные характеристики обусловили популярность этого материала.

FR-4 имеет номинальную толщину 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.

Односторонний фольгированный стеклотекстолит CEM-3. CEM-3 – импортный материал (Composite Epoxy Material), наиболее соответствующий фольгированному стеклотекстолиту марки FR-4, при цене на 10-15 % меньше. Представляет собой стекловолокнистое основание между двумя наружными слоями стеклоткани. Подходит для металлизации отверстий. CEM-3 молочно-белого цвета или прозрачный материал, очень гладкий. Материал легко сверлится и штампуется. Кроме фольгированного текстолита для изготовления плат используется множество различных материалов.

Гетинакс

Односторонний фольгированный гетинакс.

Фольгированный гетинакс предназначен для изготовления плат предназначенных для работы при обычной влажности воздуха с одно- или двухсторонним монтажом деталей без металлизации отверстий. Технологическое отличие гетинакса от стеклотекстолита состоит в использовании при его производстве бумаги, а не стеклоткани. Материал является дешевым и легко штампуемым. Имеет хорошие электрические характеристики в нормальных условиях. Материал обладает недостатками: плохая химическая стойкость и плохая теплостойкость, гигроскопичность.

Отечественный фольгированный гетинакс марок ГФ-1-35, ГФ-2-35, ГФ-1-50 и ГФ-2-50 рассчитан на работу при относительной влажности 45 - 76 % и температуре 15 - 35 С°, материал основания имеет коричневый цвет. XPC, FR-1, FR-2 – импортные фольгированные гетинаксы. Эти материалы имеют основание из бумаги с фенольным наполнителем, материалы хорошо штампуются.

- FR-3 – модификация FR-2, но в качестве наполнителя вместо фенольной смолы используется эпоксидная смола. Материал предназначен для производства плат без металлизации отверстий.

- CEM-1 – материал, состоящий из эпоксидной смолы (Composite Epoxy Material) на бумажной основе с одним слоем стеклоткани. Предназначен для производства плат без металлизации отверстий, материал хорошо штампуется. Обычно молочно-белого или молочно-желтого цвета.

Прочие фольгированные материалы применяются для более жестких условий эксплуатации, но имеют более высокую цену. Их основание выполнено на основе химических соединений, позволяющих улучшить свойства плат: керамика, арамид, полиэстер, полиимидная смола, бисмалеинимид-триазин, эфир цианат, фторопласт.

Покрытия площадок печатной платы

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

Защитные и другие виды покрытий печатной платы

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

Паяльная маска - наносится на поверхность платы для защиты проводников от случайного замыкания и грязи, а также для защиты стеклотекстолита от термоударов при пайке. Маска не несет другой функциональной нагрузки и не может служить защитой от влаги, плесени, пробоя и т. д. (за исключением случаев применения специальных видов масок).

Маркировка - наносится на плату краской поверх маски для упрощения идентификации самой платы и расположенных на ней компонентов.

Отслаиваемая маска - наносится на заданные участки платы, которые надо временно защитить, например, от пайки. В дальнейшем ее легко удалить, так как она представляет собой резиноподобный компаунд и просто отслаивается.

Карбоновое контактное покрытие - наносится в определенные места платы как контактные поля для клавиатур. Покрытие имеет хорошую проводимость, не окисляется и износостойко.

Графитовые резистивные элементы - могут наноситься на поверхность платы для выполнения функции резисторов. К сожалению, точность выполнения номиналов невысока - не точнее ±20% (с лазерной подгонкой- до 5%).

Серебряные контактные перемычки - могут наноситься как дополнительные проводники, создавая еще один проводящий слой при недостатке места для трассировки. Применяются в основном для однослойных и двусторонних печатных плат.

Для изготовления основы печатной платы используют фольгированные и нефольгированные диэлектрики – гетинакс, стеклоткань, фторопласт, полистирол, керамические и металлические (с поверхностным изоляционным слоем) материалы.

Фольгированные материалы – это многослойные прессованные пластики из электроизо­ляционной бумаги или стеклоткани, пропитанные искусственной смолой. Они покрыты с одной или двух сторон электролитической фольгой толщиной 18; 35 и 50 мкм.

Фольгированный стеклотекстолит марок СФ выпускают листами размерами 400×600 мм и толщиной листа до 1 мм и 600×700 мм с большей толщиной листа, рекомендуется для плат, которые эксплуатируются при температуре до 120°С.

Более высокие физико-механические свойства и теплостойкость имеют стеклотекстолиты марок СФПН.

Диэлектрик слофодит имеет медную фольгу толщиной 5 мкм, которую получают испарением меди в вакууме.

Для многослойных и гибких плат используют теплостойкие стеклотекстолиты марок СТФи ФТС; они эксплуатируются в диапазоне температур от минус 60 до плюс 150°С.

Нефольгированный диэлектрик СТЭФ металлизируется слоем меди в процессе изготовления печатной платы.

Фольгу изготовляют из меди высокой чистоты, содержание примесей не превышает 0,05%. Медь имеет высокую электропроводность, она относительно устойчива к коррозии, хотя и требует защитного покрытия.

Для печатного монтажа допустимое значение тока выбирают: для фольги 100–250 A/мм2, для гальванической меди 60–100 А/мм2.

Для производства печатных кабелей используют армированные фольгированные пленки из фторопласта.

Керамические платы могут работать в диапазоне температур 20...700ºС. Их изготовляют из минерального сырья (например, кварцевого песка) прессовкой, литьем под давлением или отливанием пленок.

Металлические платы используют в изделиях с большой токовой нагрузкой.

В качестве основы используют алюминий или сплавы железа с никелем. Изоляционный слой на поверхности алюминия получают анодным оксидированием с толщиной от десятков до сотен микрометров и сопротивлением изоляции 109–1010 Ом.

Толщину проводника берут 18; 35 и 50 мкм. По плотности проводящего рисунка печатные платы подразделяют на пять классов:

– первый класс характеризуется наименьшей плотностью проводящего рисунка и шириной проводника и пробелов более 0,75 мм;

– пятый класс имеет наибольшую плотность рисунка и ширину проводника и пробелов в пределах 0,1 мм.

Поскольку печатный проводник имеет малую массу, то сила его сцепления с основой достаточна, чтобы выдержать действующие на проводнике знакопеременные механические перегрузки до 40q в диапазоне частот 4–200Гц.

Стандарты на материалы для печатных плат представлены ниже в соответствующем разделе «Стандартизация производства печатных плат».