Плата электрическая – Печатная плата — Википедия

Содержание

Печатная плата — Википедия

Печатная плата со смонтированными на ней электронными компонентами. Гибкая печатная плата с установленными деталями объёмного и поверхностного монтажа. Чертеж платы в CAD-программе и готовая плата Две макетных платы для микроконтроллера ATmega8. На левой плате: сверху место для силовых транзисторов, под ним разъём программатора. В центре место для микросхемы, слева от неё — место для кварца. По кромке платы проведены дорожки питания и «земли».

Печа́тная пла́та (англ. printed circuit board, PCB, или printed wiring board, PWB) — пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.

В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги, целиком расположенной на твердой изолирующей основе. Печатная плата содержит монтажные отверстия и контактные площадки для монтажа выводных или планарных компонентов. Кроме того, в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения участков фольги, расположенных на разных слоях платы. С внешних сторон на плату обычно нанесены защитное покрытие («паяльная маска») и маркировка (вспомогательный рисунок и текст согласно конструкторской документации).

Виды печатных плат[править | править код]

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком печатные платы подразделяют на:

  • односторонние (ОПП): имеется только один слой фольги, наклеенной на одну сторону листа диэлектрика.
  • двухсторонние (ДПП): два слоя фольги.
  • многослойные (МПП): фольга не только на двух сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика. Многослойные печатные платы получаются склеиванием нескольких односторонних или двухсторонних плат[1]

По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа увеличивается количество слоёв на платах[1].

По свойствам материала основы:

Печатные платы могут иметь свои особенности в связи с их назначением и требованиями к особым условиям эксплуатации (например,

расширенный диапазон температур) или особенности применения (например, платы для приборов, работающих на высоких частотах).

Материалы[править | править код]

Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как стеклотекстолит, гетинакс.

Также основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие печатные платы применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. Для дальнейшего улучшения тепловых характеристик металлическое основание платы может крепиться к радиатору.

В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д)[2], и керамика. Такие платы имеют следующие ограничения:

  • в керамике обычно невозможно выполнение отверстий, а в ФАФ-4Д - металлизация отверстий;
  • сами по себе такие платы не могут быть несущей конструкцией, поэтому используются совместно с подложкой (основанием).

Существуют современные материалы и технологии, позволяющие преодолеть первое ограничение, но не второе.

Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.

Конструирование плат происходит в специализированных программах автоматизированного проектирования. Наиболее известны Altium Designer, P-CAD, OrCAD, TopoR, Specctra, Proteus, gEDA, KiCad и др.[3] Сам процесс конструирования в русском языке часто именуют сленговым словом разводка, подразумевая процесс прокладки проводников.

Стандарты[править | править код]

В России существуют стандарты на конструкторскую документацию печатных плат в рамках Единой системы конструкторской документации:

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

Другие стандарты на печатные платы:

  • ГОСТ Р 53386-2009 «Платы печатные. Термины и определения»;
  • ГОСТ Р 53429-2009 «Платы печатные. Основные параметры конструкции». В России данный национальный стандарт задаёт классы точности печатных плат и соответствующие геометрические параметры. Также нормируются основные электрические параметры проводников и диэлектриков. Данный стандарт является переработкой регионального стандарта ГОСТ 23751-86;
  • ГОСТ 23752-79 «Платы печатные. Общие технические условия». Стандарт регламентирует технические требования к изготовленным печатным платам, правила приёмки, методы испытаний и др.

Типовой процесс[править | править код]

Рассмотрим типовой процесс проектирования печатной платы по готовой принципиальной электрической схеме: [4]

  • Подготовка к проектированию:
    • Импорт принципиальной электрической схемы в базу данных САПР печатной платы. Как правило, подготовка схемы выполняется в отдельной схемотехнической САПР. Некоторые пакеты САПР содержат компоненты как схемотехники, так и конструирования. Другие САПР печатных плат не имеют схемотехнического редактора в своём составе, только импортируя электрическую схему популярных форматов.
    • Ввод в САПР компонентов (чертежей каждого компонента, расположения и назначения выводов и др). Обычно при этом используются готовые библиотеки компонентов, поставляемые разработчиками САПР.
    • Уточнение у будущего изготовителя печатной платы его технологических возможностей (имеющиеся материалы, количество слоёв, класс точности, допустимые диаметры отверстий, возможность покрытий и т. п.). На основании этих данных производится предварительный выбор материала платы, количества слоев металлизации, толщины материала и фольги, класс точности и они же являются исходными данными для конфигурирования DRC (см. ниже) используемыми как для автоматической разводки так и  для проверки разведённой платы. Чаще всего оптимален фольгированный стеклотекстолит толщиной 1,5 мм с толщиной фольги 18 или 35 мкм.
  • Конструирование платы:
    • Определение конструкции печатной платы (контур и габаритные размеры, крепёжные отверстия, максимально допустимая высота компонентов). Вычерчивание габаритов (краёв) платы, вырезов и крепежных отверстий, областей запрета размещения компонентов. Размещение конструктивно-привязанных деталей: разъёмов, индикаторов, кнопок и др. Определение правил расположения критичных проводников: выделение областей прокладки сильноточных проводников и шин питания; компоновка высокочастотных и дифференциальных линий, определение методов прокладки и экранировки чувствительных к помехам цепей и цепей — источников помех.
      [5]
    • Выполнение автоматического или ручного размещения компонентов. Обычно стремятся разместить все компоненты на одной стороне платы, поскольку двусторонний монтаж деталей заметно дороже в производстве.
    • Запуск автоматического трассировщика. При неудовлетворительном результате — переразмещение компонентов. Эти два шага зачастую выполняются десятки или сотни раз подряд. В некоторых случаях трассировка печатных плат (отрисовка дорожек) производится вручную полностью или частично.
    • Проверка платы на ошибки (DRC, Design Rules Check): проверка на зазоры, замыкания, наложения компонентов и др.
    • В некоторых случаях требуется расчёт механических свойств полученной печатной платы: частоты собственного механического резонанса и ударной прочности. При необходимости изменяют опорные точки платы или размещение тяжелых компонентов.
  • Создание выходной конструкторской документации:
    • Экспорт файла в формат, принимаемый изготовителем печатных плат, например, Gerber;
    • Оформление конструкторской документации, согласно действующим стандартам, в которой указаны технические требования для изготовления печатной платы: наименование материала фольгированного основания, диаметры сверления всех типов отверстий, вид переходных отверстий (закрытые паяльной маской или открытые, лужёные), области гальванических покрытий и их тип, цвет паяльной маски и её тип, необходимость маркировки, способ обработки контура плат (фрезеровка или скрайбирование) и т. п. По согласованию с изготовителем требования могут указываться в сопроводительной записке.

Типичные ошибки конструирования[править | править код]

Производители печатных плат часто сталкиваются с неочевидными ошибками конструирования начинающими инженерами. Наиболее типичные ошибки[6]:

  • Неверный выбор диаметра сверления отверстий для монтажа компонентов. В процессе изготовления платы часть просвета отверстия уйдет на металлизацию, что может приводить к невозможности нормального монтажа компонента.
  • Ошибки в согласовании требуемого размера контура печатной платы с методом его обработки. Разные методы обработки контура требуют соответствующего припуска.
  • Ошибки при выборе отдельных размеров проводников, зазоров, отверстий, окантовки отверстий и т. п. Эти размеры определяют класс точности, а, значит, цену и сроки изготовления плат. Даже один элемент с ошибочно малым размером может переквалифицировать класс точности всей платы.
  • Неравномерное распределение дорожек, полигонов и точек пайки на крупногабаритных печатных платах может приводить к короблению плат после пайки в печах.
  • Отсутствие термозазора вокруг точек монтажа компонентов при подключении к крупным заливкам фольгой (полигонам или широким дорожкам) приводит к затруднениям и браку при пайке: медь является эффективным теплоотводом и затрудняет прогрев места пайки.
  • Для плат, подлежащих лакированию, следует учитывать требования к расположению разъемов и других не подлежащих лакированию компонентов. В противном случае растет процент брака при попадании лака на контакты разъемов.

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

Весь процесс изготовления печатных плат можно разделить на четыре этапа:

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

Часто под изготовлением печатных плат понимают только обработку заготовки (фольгированного материала). Типовой процесс обработки фольгированного материала состоит из нескольких этапов: сверловка переходных отверстий, получение рисунка проводников путём удаления излишков медной фольги, металлизация отверстий, нанесение защитных покрытий и лужение, нанесение маркировки.[7] Для многослойных печатных плат добавляется прессование конечной платы из нескольких заготовок.

Изготовление фольгированного материала[править | править код]

Фольгированный материал — плоский лист диэлектрика с наклеенной на него медной фольгой. Как правило, в качестве диэлектрика используют стеклотекстолит. В старой или очень дешёвой аппаратуре используют текстолит на тканевой или бумажной основе, иногда именуемый гетинаксом. В СВЧ-устройствах используют фторсодержащие полимеры (фторопласты). Толщина диэлектрика определяется требуемой механической и электрической прочностью, наиболее распространенная толщина как однослойных, так и многослойных плат составляет ~1,5 мм - соответственно для многослойных плат используются более тонкие слои диэлектрика.

На диэлектрик с одной или двух сторон наклеивают сплошной лист медной фольги. Толщина фольги определяется токами, под которые проектируется плата. Наибольшее распространение получила фольга толщиной 18 и 35 мкм, гораздо реже встречаются 70, 105 и 140 мкм. Такие значения исходят из стандартных толщин меди в импортных материалах, в которых толщина слоя медной фольги исчисляется в унциях (oz) на квадратный фут. 18 мкм соответствует ½ oz и 35 мкм — 1 oz.

Алюминиевые печатные платы[править | править код]
Светодиод на алюминиевой печатной плате

Отдельную группу материалов составляют металлические печатные платы из алюминия. Алюминиевые платы часто используются, когда требуется отводить тепло через поверхность платы, например — в светодиодных светильниках. Их можно разделить на две группы.

Первая группа — решения в виде листа алюминия с качественно оксидированной поверхностью, на которую наклеена медная фольга. Такие платы нельзя сверлить, поэтому обычно их делают только односторонними. Обработка таких фольгированных материалов выполняется по традиционным технологиям химического нанесения рисунка. Иногда вместо алюминия применяют медь или сталь, ламинированные тонким изолятором и фольгой. Медь имеет бо́льшую теплопроводность, нержавеющая сталь платы обеспечивает коррозионную стойкость.[8]

Вторая группа подразумевает создание токопроводящего рисунка непосредственно в алюминии основы. Для этой цели алюминиевый лист оксидируют не только по поверхности, но и на всю глубину основы согласно рисунку токопроводящих областей, заданному фотошаблоном.[9][10]

Обработка заготовки[править | править код]

Получение рисунка проводников[править | править код]

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

Химический способ[править | править код]

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

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

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

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

Под травлением фольги понимают химический процесс перевода меди в растворимые соединения. Незащищенная фольга травится, чаще всего, в растворе хлорного железа или в растворе других химикатов, например медного купороса, персульфата аммония, аммиачного медно-хлоридного, аммиачного медно-сульфатного, на основе хлоритов, на основе хромового ангидрида[11]. При использовании хлорного железа процесс травления платы идет следующим образом: FeCl3+Cu → FeCl2+CuCl. Типовая концентрация раствора 400 г/л, температура до 35 °C. При использовании персульфата аммония процесс травления платы идет следующим образом: (NH4)2S2O8+Cu → (NH4)2SO4+CuSO4[11].

После травления защитный рисунок с фольги смывается.

Механический способ[править | править код]

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

Лазерная гравировка[править | править код]

До недавнего времени лазерная гравировка печатных плат была слабо распространена в связи с хорошими отражающими свойствами меди на длине волны наиболее распространённых мощных газовых СО лазеров. В связи с прогрессом в области лазеростроения сейчас начали появляться промышленные установки прототипирования на базе лазеров.[12]

Металлизация отверстий[править | править код]

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

Механическая металлизация отверстий выполняется специальными заклепками, пропаянными отрезками провода или заливкой отверстия токопроводящим клеем (отверждаемой пастой). Механический способ дорог в производстве и потому применяется крайне редко, обычно — в высоконадежных штучных решениях, специальной сильноточной технике или радиолюбительских условиях при штучном исполнении.

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

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

Многослойные платы (с числом слоев проводников более 2) собираются из стопки тонких двух- или однослойных печатных плат, изготовленных традиционным способом (кроме наружных слоев пакета — их на этом этапе оставляют с нетронутой фольгой). Их собирают «бутербродом» со специальными прокладками (препреги). Далее выполняется прессование в печи, сверление и металлизация переходных отверстий. В последнюю очередь делают травление фольги внешних слоев.[1] Поскольку толщина меди во внешних слоях увеличивается на величину гальванически осаждённой меди при металлизации переходных отверстий, это накладывает дополнительные ограничения на ширину дорожек и зазоров между ними.

Переходные отверстия в таких многослойных платах могут также делаться до прессования. Если отверстия делаются до прессования, то можно получать платы с так называемыми «глухими» и «слепыми» отверстиями (когда отверстие есть только в одном слое «бутерброда»), что позволяет уплотнить компоновку для сложных плат. Себестоимость производства в этих случаях ощутимо возрастает, что требует разумного компромисса в проектировании такого рода плат.

Нанесение покрытий[править | править код]

Возможны такие покрытия, как:

  • Защитно-декоративные лаковые покрытия («паяльная маска»). Обычно имеет характерный зелёный цвет. При выборе паяльной маски следует учитывать, что некоторые из них непрозрачны и под ними не видно проводников.
  • Декоративно-информационные покрытия (маркировка). Обычно наносится с помощью шелкографии, реже — струйным методом или лазером.
  • Лужение проводников. Защищает поверхность меди, увеличивает толщину проводника, облегчает монтаж компонентов. Обычно выполняется погружением в ванну с припоем или волной припоя. Основной недостаток — значительная толщина покрытия, затрудняющая монтаж компонентов высокой плотности. Для уменьшения толщины излишек припоя при лужении сдувают потоком воздуха.
  • Химические, иммерсионные или гальванические покрытия фольги проводников инертными металлами (золотом, серебром, палладием, оловом и т. п.). Некоторые виды таких покрытий наносятся до этапа травления меди.[13][14]
  • Покрытие токопроводящими лаками для улучшения контактных свойств разъемов и мембранных клавиатур или создания дополнительного слоя проводников.

После монтажа печатных плат возможно нанесение дополнительных защитных покрытий, защищающих как саму плату, так и пайку и компоненты.

Механическая обработка[править | править код]

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

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

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

Монтаж компонентов[править | править код]

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

Установка компонентов[править | править код]

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

Пайка волной[править | править код]

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

Пайка в печах[править | править код]

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

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

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

Финишные покрытия[править | править код]

После пайки печатную плату с компонентами покрывают защитными составами: гидрофобизаторами, лаками (например, УР-231), средствами защиты открытых контактов. В отдельных случаях для работы платы в условиях сильных вибраций плата может быть целиком залита в резиноподобный компаунд.

Испытания и контроль[править | править код]

Для массового промышленного производства печатных плат разработаны автоматизированные методы контроля качества.

При контроле правильности монтажных соединений, осуществляют проверку электрических соединений на отсутствие обрывов или замыканий между ними.

При контроле качества монтажа электронных компонентов применяют оптические методы контроля. Оптический контроль качества монтажа выполняется с помощью специализированных стендов с видеокамерами высокого разрешения. Стенды встраиваются в технологическую линию на этапах:

  • контроля рисунка проводников, контура печатной платы и диаметров отверстий.
  • контроля равномерности и дозировки нанесения паяльной пасты.
  • контроля точности установки компонентов.
  • контроля результатов пайки (оплавления припоя или пайки волной). Типовые дефекты пайки, выявляемые оптическими системами:
    • Смещение компонентов в процессе пайки.
    • Короткие замыкания.
    • Недостаток и избыток припоя.
    • Коробление печатных плат.

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

  • Толстоплёночная технология: Шелкографическое нанесение рисунка проводников металлизированной пастой с последующим спеканием пасты в печи. Технология позволяет создавать многослойную разводку проводников благодаря возможности нанесения на слой проводников слоя изолятора теми же шелкографическими методами, а также толстоплёночные резисторы.
  • Тонкоплёночная технология: Формирование проводников фотолитографическими методами либо осаждение металла через трафарет.

Керамические корпуса электронных микросхем и некоторых других компонентов также выполняются с привлечением технологий гибридных микросхем.

Мембранные клавиатуры часто выполняют на плёнках методом шелкографии и спекания легкоплавкими металлизированными пастами.

  • Пирогова Е. В. Проектирование и технология печатных плат: Учебник. — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. — 560 с. — (Высшее образование). — ISBN 5-16-001999-5. — ISBN 5-8199-0138-X.

ru.wikipedia.org

Печатные платы. Классификация и самостоятельное изготовление.


Warning: file(http://www.radioingener.ru/wp-content/uploads/Книга1.txt): failed to open stream: HTTP request failed! HTTP/1.1 404 Not Found in /home/host1754796/radioingener.ru/htdocs/www/wp-content/plugins/shortcodes-ultimate/inc/core/tools.php on line 3

Warning: Invalid argument supplied for foreach() in /home/host1754796/radioingener.ru/htdocs/www/wp-content/plugins/shortcodes-ultimate/inc/core/tools.php on line 57

Warning: array_shift() expects parameter 1 to be array, null given in /home/host1754796/radioingener.ru/htdocs/www/wp-content/plugins/shortcodes-ultimate/inc/core/tools.php on line 59

Warning: Invalid argument supplied for foreach() in /home/host1754796/radioingener.ru/htdocs/www/wp-content/plugins/shortcodes-ultimate/inc/core/tools.php on line 60

Современный мир невозможно представить без электроники. Основой любых сложных механизмов являются печатные платы. На них устанавливаются элементы радиоэлектроники, которые отвечают за различные функции, выполняют определённые задачи. Начинающим радиолюбителям нужно знать какие виды оснований существуют, как их можно сделать самостоятельно.

Что такое печатная плата?

Плата представляет собой один или несколько слоев диэлектрика, на которых нанесён токопроводящих рисунок. Проводящих рисунков может быть два или из них составлена сеть. Она является основанием для закрепления отдельных элементов радиоэлектроники, чтобы соединить их вместе. Чтобы соединять отдельные детали с токопроводящим рисунком используется припой или паяльная паста.

Технические характеристики

Чтобы иметь общее представление о возможностях, конструкции, предназначении оснований для создания электроники, необходимо знать их технические характеристики:

* тип — многослойные, однослойные, гибкие, жёсткие;

* проводящие слои — до 18 штук;

* максимальные габариты — для многослойных 610х470 мм, односторонние 1200х457 мм, гибкие 5000х340 мм;

* максимальная плотность — 3,2 мм;

* ширина токопроводящих дорожек — от 25 до 75 мкм;

* максимальная плотность наружных слоёв фольги — 400 мкм;

* максимальная плотность внутренних слоёв фольги — 105 мкм;

* допустимый диаметр для сверления — 6.35 мм.

Существует несколько видов финишных покрытий, которые выбираются зависимо от предназначения основания, требуемых характеристик. К ним относятся:

* лужение свинцом;

* лужение без свинца;

* иммерсионное серебро;

* органическое покрытие;

* иммерсионное золочение;

* иммерсионное олово.

Контакты покрываются гальваническим золотом.

 

Виды печатных плат

Основания для изготовления электроники разделяются на несколько видов. Они отличаются по конструкции, характеристикам, предназначению. Разновидности плат:

1. Односторонние — конструкции представляющие собой диэлектрические пластинки, на которые с одной стороны нанесён токопроводящий рисунок. Для соединения отдельных контактов на верхнем диэлектрическом слое закрепляются металлические перемычки. Односторонние основания используются при изготовлении недорогой бытовой техники. Связано это с их малой надёжностью, недолговечностью, хрупкой конструкцией.

2. Двухсторонние — на диэлектрическим слое с двух сторон наносятся токопроводящие рисунки, что позволяет устанавливать на основание большее количество электрических элементов, расширить функционал, технические характеристики платы. Отверстия имеют металлизированные вставки. Благодаря им прочность скрепления отдельных деталей с основанием становится надёжнее. Двухсторонние

пластинки считаются наиболее популярными при изготовлении бытовой электроники, компьютеров.

3. Однослойные — элементарная конструкция, состоящая из одной пластинки, прослойки покрытой металлом.

4. Многослойные — сложные конструкции, которые используются при изготовлении сложных приборов, механизмов. Несколько слоёв, расположенных в определённой последовательности, позволяют надёжно закреплять основные компоненты. Количество слоёв выбирается зависимо от требуемых характеристик. Максимальное количество — 40. У многослойных оснований есть ряд недостатков. Это сложности во время изготовления, сложный процесс починки, дороговизна расходных материалов.

5. Гибкие — могут быть односторонними, двухсторонними, иметь несколько слоев. Изготавливаются на гибком основании. Предназначены для соединения отдельных элементов электрического оборудования. Могут заменять собой кабеля.

6. Гибко-жесткие — конструкция представляет собой шлейф, на котором в определённых местах закрепляются жесткие пластинки, с нанесёнными на них токопроводящими рисунками. Используются для соединение жестких плат между собой. Обеспечивают надёжную связку.

7. Жёсткие — плитки, выполненные из жёстких слоев, которые не дают платам деформироваться. Простой пример жёсткого основания — материнская плата, устанавливаемая в компьютерах.

8. Теплопроводные — другие названия этих пластинок ВЧ, СВЧ. Во время изготовления основания используется керамика, чтобы оно выдерживало воздействие высоких температур. Дополнительно керамика повышает жёсткость конструкции.

Зависимо от вида плат изменяются их характеристики, внешний вид, размер, возможности.

 

Принципы выбора готовых плат: цены и производители

Магазины радиоэлектроники предлагают покупателям широкий ассортимент печатных плат для изготовления электроники. При покупке важно учитывать некоторые факторы:

1. Размеры основания. Зависит от количества элементов, устанавливаемых на него.

2. Количество слоёв, используемых при изготовлении плитки.

3. Наличие металлических вставок на отверстиях для закрепления радиоэлементов.

4. Двухсторонний или односторонний рисунок.

5. Гибкое или жёсткое основание.

Платы нужны для всех устройств. Ниже представлены усредненная стоимость и производители на примере материнских плат для компьютера:

 

Нет смысла переплачивать за известный бренд, если собрать нужно простой электроприбор. Однако самая дешёвая плата быстро выйдет из строя и может привести к появлению возгорания. При выборе нужно проверять работоспособность электрических дорожек, целостность конструкции.

 

Материалы для изготовления плат

Существует несколько видов материалов, которые используют при изготовлении оснований для электроники:

1. Главная часть конструкции должна изготавливаться из диэлектрического материала. Это может быть стеклотекстолит, гетинакс.

2. Второй вариант изготовления плат — металлическое основание, на которое наносится диэлектрический слой. Чаще всего используется анодированный алюминий.

3. Для изготовления термоустойчивых оснований применяется фторопласт. Его дополнительно армируют стеклотканью. В состав добавляется керамика для повышения механических характеристик.

4. Чтобы сделать гибкую плитку, применяется каптон.

Материалы можно купить в любом магазине радиоэлектроники.

Изготовление печатной платы своими руками

Самостоятельно изготовить основание для электроприборов легко. Для этого нужно изучить теорию, подготовить расходные материалы, инструменты, выполнить определённый порядок действий. Для изготовления понадобятся:

1. Текстолит — должен иметь слой фольги. Может быть двухсторонним или односторонним. Изготовление фольгированного материала займёт много времени, лучше купить готовую плитку.

2. Утюг, промышленный фен с регулятором температур.

3. 3-д принтер.

4. Ножницы по металлу.

5. Фотобумага с глянцевым покрытием.

6. Зубная щётка.

7. Медицинский спирт.

8. Наждачная бумага мелкой фракции.

9. Скотч, маркер.

10.Сверлильный станок, бормашинка, гравер.

11.Хлорное железо.

К дополнительным инструментам можно отнести паяльник, припой и флюс для монтажа электронных компонентов.

Этапы изготовления платы:

1. На листе текстолита отметить размеры будущей пластинки. Ножницами по металлу вырезать её.

2. Использую наждачную бумагу мелкой фракции, зашкурить стороны текстолита до появления блеска. Обработать торцы, чтобы избавиться от неровностей.

3. Намочить отрезок ткани спиртом, протереть пластинку. Работать нужно в резиновых перчатках, чтобы не пачкать жирными пальцами рабочие поверхности.

4. Заранее нарисовать на компьютере рисунок будущих токопроводящих дорожек. Просчитать соединительные узлы, места стыковки дополнительных компонентов, перемычки.

5. Получившийся рисунок проводников распечатать на фотобумагу.

6. Положить распечатку изображением вниз на текстолит. Подключить утюг к сети, подождать пока он разогреется. Медленными движениями разглаживать бумагу по твердой пластинке. Когда она начнёт желтеть, убрать утюг.

7. Отнести плату с припаянной бумагой к умывальнику. Опустить под струю воды. Зубной щёткой оттереть остатки бумаги.

8. Расположить пластинку под ярким светом чтобы она просохла.

9. Подготовка состава для травления. Понадобится хлорное железо, которое продаётся порошком в магазинах радиоэлектроники. Взять ёмкость из пластика, налить в неё три части воды, добавить одну часть хлорного железа. Тщательно перемешать раствор.

10.Сухую плату опустить в готовую смесь для травления. На скорость обработки платы влияет качество реактивов, температура состава, толщина фольгированного слоя. Для ускорения процесса жидкость можно разогреть. Однако слишком высокая температура повредит рисунок. Чтобы ускорить процесс безопасно, можно присоединить к ёмкости моторчик от телефона. Лёгкие вибрации воздействуют на травление.

11.После травления, плату нужно промыть под проточной водой. Протереть тряпочкой, смоченной в спирте.

12.Следующий процесс обработки — сверление. Для этого желательно использовать специальный станок, гравер или бормашинку. Инструмент закрепляется неподвижно с помощью тисков, чтобы можно было делать точные отверстия. По рисунку происходит сверление. После изготовления отверстий, по поверхности платы нужно пройти наждачной бумагой, удалив заусенцы.

13.Лужение основания. Плата смачивается медицинским спиртом. Его нужно нанести тряпкой лёгкими движениями без прижимов. Смочить другую тряпку в растворе для травления. Смазать стороны платы. Нагреть паяльником припой, быстрыми движениями нанести его на электрические каналы.

14.Наждачной бумагой с мелкой фракцией пройтись по сторонам плитки.

Лужение считается необязательным этапом при изготовления плат. Однако его делают из-за нескольких преимуществ:

1. Увеличивается показатель устойчивости к коррозии.

2. Толщина токопроводящего слоя увеличивается, благодаря чему снижается сопротивление, улучшается эффективность платы.

3. Проще припаивать радиодетали.

При соблюдении правил проведения работы сборка самодельной платы не покажется сложным процессом. Перед закреплением других деталей важно провести проверку токопроводящих рисунков.

Более подробно про различные способы изготовления печатных плат почитайте в нашей статье

 

Типичные ошибки при конструировании плат

При сборке самодельных оснований люди допускают различные ошибки. К наиболее часто встречаемым относятся:

1. Неправильно выбранная ширина токопроводящих дорожек. Это приводит к потере напряжения, перегреву проводников, низкой механической прочности. Чтобы не столкнуться с такими проблемами, необходимо делать максимально допустимую ширину токопроводящих дорожек.

2. Неправильное проектирование цепей питания. Приводит к снижению выходящего напряжения, большие пульсации на выходе, помехам

вместо постоянного напряжения. Решение проблемы — максимальная ширина дорожек, подающий конденсатор из керамики.

3. Проблемы заземления. Использование обычного проводника минимальной ширины. Приводит к нестабильности рабочего процесса, перегреву основания. Решение — использование отдельного слоя изоляции для разводки.

4. Небольшой зазор между медными проводниками, нанесёнными на плату. Приводит к нарушению целостности основания. Необходимо увеличить расстояние между проводниками, чтобы справиться с проблемой.

5. Большое количество соединительных отверстий на одной пластинке. Это приводит к увеличения токопроводящих дорожек, повышению сопротивления. Использовать максимум два отверстия на пластинках малого размера.

Существуют и другие проблемы. Однако они менее популярны и требуют вмешательства специалистов.

Печатные платы являются основанием электрических приборов, механизмов. На них напаиваются ключевые элементы, которые выполняют определённые функции. Собрать основание можно своими руками. Для этого нужно определиться с тем, где оно будет использоваться, нарисовать чертёж, подобрать рисунок, выполнить определённую последовательность действий.

Но печатные платы это лишь основа для изделий на нее припаиваются диоды или стабилитроны или транзисторы или другие элементы радиоэлектронных схем, о который вы можете прочесть на нашем сайте — ссылка на оглавление.

www.radioingener.ru

Печатная плата – основа современной электроники


Печатная плата составляет основу любого электронного изделия, входя в состав компьютеров, сотовых телефонов и военной техники. Появившись более 100 лет назад, это маленькое устройство ознаменовало огромный скачок в развитии радиоэлектронной аппаратуры. В России одним из крупнейших производителей современных плат является КРЭТ.

Что же представляет собой печатная плата и зачем она называется «печатной»? 

Немного истории

Считается, что прообраз всех видов печатных плат был создан немецким инженером Альбертом Хансоном. Еще в начале прошлого столетия он предложил формировать рисунок печатной платы на медной фольге вырезанием или штамповкой. Элементы рисунка приклеивались к диэлектрику, которым служила пропарафиненная бумага.

Таким образом, «днем рождения» печатных плат считается 1902 год, когда Хансон подал свою заявку в патентное ведомство.

За более чем столетие конструкции и технологии изготовления печатных плат постоянно совершенствовались. В их эволюции принимало участие большое множество изобретателей, в числе которых и всемирно известный Томас Эдисон. В свое время он предложил формировать токопроводящий рисунок посредством адгезивного материала, содержащего графитовый или бронзовый порошки.

И хотя Эдисон даже не употреблял термина «печатные платы», многие его идеи применяются при их создании и в наши дни.

Первые печатные платы, созданные в 1920-х годах, были сделаны из таких материалов, как бакелит, мазонит, а также слоистого картона и даже тонких деревянных досок. В материале просверливались отверстия, а затем «провода» из плоской латуни привинчивались к плате. Причем иногда для этого использовались даже небольшие гайки и болты. Такие печатные платы были использованы в первых радио и граммофонах.

И почему она «печатная»

В своем современном виде печатная плата появилась благодаря использованию технологий полиграфической промышленности. И своим названием она обязана полиграфии: печатная плата – прямой перевод с английского полиграфического термина printing plate.

Поэтому подлинным «отцом печатных плат» считается австрийский инженер Пауль Эйслер, который первым пришел к выводу, что технологии полиграфии могут быть использованы для серийного производства печатных плат.

Уже во время Второй мировой войны технологии массового производства печатных плат оказались очень востребованными, в первую очередь для радиоаппаратуры военного назначения, авиации. А с середины 1950-х годов печатная плата стала основой всей бытовой электроники.

В СССР одной из первых подобных разработок в 1953 году был радиоприемник «Дорожный», выполненный в виде небольшого чемодана, в котором помещалась одна печатная плата. Конечно, по сравнению с современными, эта печатная плата была весьма примитивной: несколько широких проводников (4-5 мм) с пилообразными кромками, расположенных на обеих сторонах платы, соединялись через металлизированные отверстия. А уже в 1954 году с применением печатных плат началось производство советского телевизора «Старт».

Сегодня печатные платы практически не имеют конкуренции в качестве основы электронной аппаратуры, входя в состав компьютеров, сотовых телефонов и военной техники.

От линии к плоскости

Что же собой представляют печатные платы?

Если коротко, то это конструкция электрических межсоединений на изоляционном основании. Таким образом, ее основные элементы – основание (подложка) и проводники.

Электронные компоненты на печатной плате обычно соединяются при помощи пайки. Эти элементы необходимы и достаточны для того, чтобы печатная плата была печатной платой.

Кстати, самым дальним предшественником печатных плат можно считать обычный провод, чаще всего изолированный. Таким образом, в развитии этого радиоустройства, можно сказать, был осуществлен переход от линии к плоскости.

Односторонняя печатная плата – это пластина, на одной стороне которой размещены проводники, выполненные печатным способом. В двухсторонних печатных платах проводники заняли и изнаночную сторону этой пластины.

Переход от односторонних печатных плат к двухсторонним был первым шагом на пути от плоскости к объему. Окончательный переход к объему произошел с появлением в 1961 году многослойных печатных плат.

К примеру, сегодня предприятия КРЭТ выпускают многослойные печатные платы, содержащие до 25 слоев.

Такие платы позволили в первую очередь миниатюризировать электронику. Этим преимуществом сохранения пространства быстро воспользовались аэрокосмическая техника, авиация, компьютеры, а также ракетные комплексы и оружие.

Переход на микроуровень

Все большая миниатюризация электронных устройств потребовала и перехода печатных плат на микроуровень.

Если на первых печатных платах ширина проводников и зазоры между проводниками измерялись миллиметрами, то развитие электронной техники потребовало создания печатных плат с размерами элементов, измеряемых десятыми долями миллиметра. В современной радиоэлектронной аппаратуре такие печатные платы стали уже обыденностью.

На предприятиях КРЭТ сегодня выпускаются платы с точностью воспроизведения рисунка 2 мкм, а толщина подложки таких плат составляет от 0,25 до 1 мм. При этом надежность внутренних соединений многослойных плат контролируется с помощью рентгеновской установки.

Развитие таких направлений, как нанотехнологии, делает вполне реальными любые самые нереальные прогнозы относительно развития электронной базы. Можно говорить уже не просто о микро-, а даже о наноминиатюризации печатных плат. Уже сегодня отдельные элементы печатных плат находятся на подступах к нанометрам.

«Печатные» инновации

Для большинства людей печатная плата – это просто всего лишь жесткая пластинка. Действительно, жесткие платы – самый массовый продукт, используемый в радиоэлектронике, но сегодня пользуются большой популярностью и гибкие печатные платы.

В России одним из крупнейших производителей таких плат является Государственный Рязанский приборный завод, входящий в КРЭТ.

Так, одним из преимуществ гибких печатных плат называют возможность придания им различных форм объектов, в которые их можно поместить. Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таким образом, их «подложка» находится в высокоэластическом состоянии. В результате существенно экономится внутренний объем изделий.

Последние инновации в области производства печатных плат коснулись и материалов.

Как известно, в качестве основы печатной платы наиболее часто используются такие материалы, как стеклотекстолит, гетинакс, керамика. Также основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек.

Отдельную группу материалов составляют алюминиевые металлические печатные платы. И здесь особое значение имеют алюмооксидные платы. Эта технология основана на инновационной концепции создания нанопористого материала для построения многоуровневых слоев коммутации, которые комбинируют алюминий и оксид алюминия в своей структуре.

Выполненные по алюмооксидной технологии печатные платы и модули обеспечивают более быстрый теплоотвод в сравнении с аналогичными изделиями, выполненными на основе «классической» технологии, что увеличивает надежность работы и срок службы.

Самым главным достоинством этой технологии является возможность переплавки отслуживших свой срок печатных плат. Получаемый в результате этого алюминий может быть использован многократно.

Недавно КРЭТ приступил к испытаниям сборочных узлов и модулей, построенных на основе инновационных алюмооксидных плат.

Концерн оценит целесообразность их использования при производстве перспективных систем радиолокации гражданского и военного назначения, а также средств радиоэлектронной борьбы.

По материалам официального сайта КРЭТ

rostec.ru

Материалы для печатных плат | Основы электроакустики

Печатная плата (англ. printed circuit board, PCB, или printed wiring board, PWB) — пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.
В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги, целиком расположенной на твердой изолирующей основе. Печатная плата содержит монтажные отверстия и контактные площадки для монтажа выводных или планарных компонентов. Кроме того, в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения участков фольги, расположенных на разных слоях платы. С внешних сторон на плату обычно нанесены защитное покрытие («паяльная маска») и маркировка (вспомогательный рисунок и текст согласно конструкторской документации).

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на:

  •     односторонние (ОПП): имеется только один слой фольги, наклеенной на одну сторону листа диэлектрика.
  •     двухсторонние (ДПП): два слоя фольги.
  •     многослойные (МПП): фольга не только на двух сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика. Многослойные печатные платы получаются склеиванием нескольких односторонних или двухсторонних плат

По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа, увеличивается количество слоёв на платах]. По свойствам материала основы:

  •     Жёсткие
  •    Теплопроводные
  •     Гибкие

Печатные платы могут иметь свои особенности, в связи с их назначением и требованиями к особым условиям эксплуатации (например, расширенный диапазон температур) или особенности применения (например, платы для приборов, работающих на высоких частотах).
Материалы  Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как стеклотекстолит, гетинакс. Также основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие печатные платы применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. При этом металлическое основание платы крепится к радиатору. В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д)[2], и керамика.
Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.

Гетинакс применяют при средних условиях эксплуатации.

  • Достоинства : дешево, меньше сверлить, интеграция в нагретом состоянии.
  • Недостатки: может расслаиваться при механической обработке, может впитывать влагу, понижает свои диэлектрические свойства и коробится.

Лучше использовать гетинакс облицованный гольваностойкой фольгой.

Фольгированный стеклотекстолит – получают прессованием, пропитывание эпоксидной смолой слоев стеклоткани и приклеенной поверхностной пленки ВФ-4Р медной электротехнической фольги толщиной 35-50 микрон.

  • Достоинства: хорошие диэлектрические свойства.
  • Недостатки: дорого в 1,5-2 раза.

Применяют для односторонних и двусторонних плат. Для многослойных ПП применяются тонкие фольгированные диэлектрики ФДМ-1, ФДМ-2 и полугибкие РДМЭ-1. Основой таких материалов служит пропитывающий эпоксидный слой стеклоткани. Толщина электротехнической меди гольваностойкой фольги 35,18 микрон.  Для изготовления многослойных ПП используется прокладочная ткань, например СПТ-2 толщиной 0,06-0,08 мм, является нефольгированным материалом.

Изготовление  Изготовление ПП возможно аддитивным или субтрактивным методом. В аддитивном методе проводящий рисунок формируется на нефольгированном материале путём химического меднения через предварительно нанесённую на материал защитную маску. В субтрактивном методе проводящий рисунок формируется на фольгированном материале путём удаления ненужных участков фольги. В современной промышленности применяется исключительно субтрактивный метод.
Весь процесс изготовления печатных плат можно разделить на четыре этапа:

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

  •     Монтаж компонентов.

  •     Тестирование.

Часто под изготовлением печатных плат понимают только обработку заготовки (фольгированного материала). Типовой процесс обработки фольгированного материала состоит из нескольких этапов: сверловка переходных отверстий, получение рисунка проводников путем удаления излишков медной фольги, металлизация отверстий, нанесение защитных покрытий и лужение, нанесение маркировки.[7] Для многослойных печатных плат добавляется прессование конечной платы из нескольких заготовок.

Фольгированный материал — плоский лист диэлектрика с наклеенной на него медной фольгой. Как правило, в качестве диэлектрика используют стеклотекстолит. В старой или очень дешевой аппаратуре используют текстолит на тканевой или бумажной основе, иногда именуемый гетинаксом. В СВЧ устройствах используют фторсодержащие полимеры (фторопласты). Толщина диэлектрика определяется требуемой механической и электрической прочностью, наибольшее распространение получила толщина 1,5 мм. На диэлектрик с одной или двух сторон наклеивают сплошной лист медной фольги. Толщина фольги определяется токами, под которые проектируется плата. Наибольшее распространение получила фольга толщиной 18 и 35 мкм, гораздо реже встречаются 70, 105 и 140 мкм. Такие значения исходят из стандартных толщин меди в импортных материалах, в которых толщина слоя медной фольги исчисляется в унциях (oz) на квадратный фут. 18 мкм соответствует ½ oz и 35 мкм — 1 oz.

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

  • Первая группа — решения в виде листа алюминия с качественно оксидированной поверхностью, на которую наклеена медная фольга. Такие платы нельзя сверлить, поэтому обычно их делают только односторонними. Обработка таких фольгированных материалов выполняется по традиционным технологиям химического нанесения рисунка. Иногда вместо алюминия применяют медь или сталь, ламинированные тонким изолятором и фольгой. Медь имеет большую теплопроводность, нержавеющая сталь платы обеспечивает коррозионную стойкость.

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

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

Химический способ изготовления печатных плат из готового фольгированного материала состоит из двух основных этапов: нанесение защитного слоя на фольгу и травление незащищенных участков химическими методами. В промышленности защитный слой наносится фотолитографическим способом с использованием ультрафиолетово-чувствительного фоторезиста, фотошаблона и источника ультрафиолетового света. Фоторезистом сплошь покрывают медь фольги, после чего рисунок дорожек с фотошаблона переносят на фоторезист засветкой. Засвеченный фоторезист смывается, обнажая медную фольгу для травления, незасвеченный фоторезист фиксируется на фольге, защищая её от травления.

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

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

Под травлением фольги понимают химический процесс перевода меди в растворимые соединения. Незащищенная фольга травится, чаще всего, в растворе хлорного железа или в растворе других химикатов, например медного купороса, персульфата аммония, аммиачного медно-хлоридного, аммиачного медно-сульфатного, на основе хлоритов, на основе хромового ангидрида. При использовании хлорного железа процесс травления платы идет следующим образом: FeCl3+Cu → FeCl2+CuCl. Типовая концентрация раствора 400 г/л, температура до 35°С. При использовании персульфата аммония процесс травления платы идет следующим образом: (Nh5)2S2O8+Cu → (Nh5)2SO4+CuSO4].После травления защитный рисунок с фольги смывается.

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

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

Металлизация отверстий Переходные и монтажные отверстия могут сверлиться, пробиваться механически (в мягких материалах типа гетинакса) или лазером (очень тонкие переходные отверстия). Металлизация отверстий обычно выполняется химическим или механическим способом.
Механическая металлизация отверстий выполняется специальными заклепками, пропаянными проволочками или заливкой отверстия токопроводящим клеем. Механический способ дорог в производстве и потому применяется крайне редко, обычно в высоконадежных штучных решениях, специальной сильноточной технике или радиолюбительских условиях.
При химической металлизации в фольгированной заготовке сначала сверлятся отверстия, затем они металлизируются и только потом производится травление фольги для получения рисунка печати. Химическая металлизация отверстий — многостадийный сложный процесс, чувствительный к качеству реактивов и соблюдению технологии. Поэтому в радиолюбительских условиях практически не применяется. Упрощенно состоит из таких этапов:

    В конце производственного цикла для защиты довольно рыхлой осажденной меди применяется либо горячее лужение, либо отверстие защищается лаком (паяльной маской). Нелуженые переходные отверстия низкого качества являются одной из самых частых причин отказа электронной техники.

Многослойные платы (с числом слоев металлизации более 2) собираются из стопки тонких двух- или однослойных печатных плат, изготовленных традиционным способом (кроме наружных слоев пакета — их пока оставляют с нетронутой фольгой). Их собирают «бутербродом» со специальными прокладками (препреги). Далее выполняется прессование в печи, сверление и металлизация переходных отверстий. В последнюю очередь делают травление фольги внешних слоев.
Переходные отверстия в таких платах могут также делаться до прессования. Если отверстия делаются до прессования, то можно получать платы с так называемыми глухими отверстиями (когда отверстие есть только в одном слое бутерброда), что позволяет уплотнить компоновку.

Возможны такие покрытия как:

  •     Защитно-декоративные лаковые покрытия («паяльная маска»). Обычно имеет характерный зелёный цвет. При выборе паяльной маски следует учитывать, что некоторые из них непрозрачны и под ними не видно проводников.
  •     Декоративно-информационные покрытия (маркировка). Обычно наносится с помощью шелкографии, реже — струйным методом или лазером.

  •     Лужение проводников. Защищает поверхность меди, увеличивает толщину проводника, облегчает монтаж компонентов. Обычно выполняется погружением в ванну с припоем или волной припоя. Основной недостаток — значительная толщина покрытия, затрудняющая монтаж компонентов высокой плотности. Для уменьшения толщины излишек припоя при лужении сдувают потоком воздуха.

  •     Химические, иммерсионные или гальванические покрытия фольги проводников инертными металлами (золотом, серебром, палладием, оловом и т.п.). Некоторые виды таких покрытий наносятся до этапа травления меди.

  •     Покрытие токопроводящими лаками для улучшения контактных свойств разъемов и мембранных клавиатур или создания дополнительного слоя проводников.

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

audioakustika.ru

7 правил проектирования печатных плат / Habr

Приветствую! В процессе обсуждения статьи товарища KSVl была озвучена необходимость небольшого пособия по проектированию печатных плат. Очень часто на хабре я вижу статьи в стиле «5 правил оформления кода» или «5 шагов к успешному проекту», то есть очень удобные собрания тезисов по определенной теме. К сожалению подобных статей по разработке электроники мало и это плохо…

Я обещал пользователю KSVl и некоторым другим читателям, статью с базовыми принципами проектирования печатных плат (ПП), так же приглашаю к ознакомлению всех любителей попаять за чашечкой кофе!



Пролог


Все описанные в статье правила, являются самыми базовыми и ориентированы исключительно на совсем начинающих разработчиков для которых электроника просто хобби. Сразу хочу отметить, что данная статья не претендует на абсолютную истину и все объяснения даны в вольной форме.

Наверняка найдутся люди, которые скажут: «Да и так ведь работает, зачем что-то менять?». И вот тут увы, я не готов тратить силы и переубеждать вас. Одни хотят все делать хорошо, качественно и надежно, другим же не дано понять этого желания.

Источники информации на которых базируются описанные в статье правила:

  1. Курс общей физики и электротехники. Все в пределах 1-го курса ВУЗа
  2. Книги Говарда Джонса «Конструирование высокоскоростных цифровых устройств: начальный курс черной магии» и «Высокоскоростная передача цифровых данных: высший курс черной магии»
  3. Стандарты IPC, например, IPC-2221A. Бывает перевод на русском (старая версия) и оригинал последних версий на английском
  4. Собственный опыт

Правило №1 — Ширина проводника


Ошибка — очень часто начинающие разработчики используют ту ширину проводников (дорожек), которая стоит по умолчанию в используемой САПР. В упомянутой ранее статье, автор использовал EasyEDA и там базовое значение ширины стоит 6 mils, то есть около 0.15 мм. Данная ширина проводников использована практически везде и это плохо, ибо ведет к ряду проблем.

Проблема №1 — падение напряжения. Все мы помни закон Ома из которого следует, что чем меньше площадь сечения проводника, тем больше его сопротивление. Чем больше сопротивление проводника, тем больше на нем упадет напряжение.

Проблема №2 — нагрев проводника. Тут все тот же закон Ома, мощность выделяемая на проводнике пропорциональна его сопротивлению, то есть чем больше сопротивление, тем больше тепла выделится на проводнике. Дорогу 0.15 мм ток в 5-10А легко испарит.

Проблема №3 — паразитная индуктивность. Этот момент к базовым вряд ли уже относится, но знать про него надо. Чем меньше сечение проводника, тем больше его индуктивность. То есть любой проводник на самом деле не просто «кусок меди», это составной компонент из активного сопротивления, индуктивности и паразитной емкости. Если эти параметры слишком высоки, то они начинают негативно отражаться на работе схемы. Чаще они проявляются частотах больше 10 МГц, например, при работе с SPI.

Проблема №4 — низкая механическая прочность. Думаю не надо объяснять, что дорожка шириной 2 мм более прочно прикреплена к текстолитовой основе, чем дорожка 0.15 мм. Ради интереса возьмите заводскую ненужную плату и поковыряйте ее.

Решение — используйте максимально возможную ширину проводников. Если проводник можно провести с шириной 0.6 мм, то это лучше, чем провести его шириной 0.15 мм.

Пример:

1) Плохо

2) Хорошо

Правило №2 — Подключение к выводам


Под выводами подразумевается контактная площадка компонента (pad), переходные отверстия (via) и прочие объекты, которые на плате мы соединяем с помощью проводников (дорожек).

Ошибка — бывают две крайности. В одной, разработчик совершает ошибку из правила №1 и подключает дорожку 0.15 мм к выводу smd резистора 1206. В другом случае наоборот, использует проводник ширина которого равна ширине контактной площадки. Оба варианта плохие.

Проблема №1 — низкая механическая прочность. При нескольких попытках перепайки компонента, площадка или дорожка просто отслоятся от текстолитовой основы печатной платы.

Проблема №2 — технологические проблемы с монтажом платы. Хотя это станет проблемой, если вы начнете заказывать в Китае не только платы, но и сборку. Вам конечно соберут, но % брака вырастает.

Решение — ширина проводника, подключаемого к контактной площадке, должна составлять примерно 80% от ширины этой площадки.

Пример:

1) Плохо

2) Хорошо

Размер площадки конденсатора 1206 в данном случае составляет 1.6 х 1 мм. Соответственно для подведения сигнала снизу используется дорожка равная 80% от ширины площадки, то есть 0.8 мм (80% от 1 мм). Для подведения сигнала справа используется дорожка толщиной 1.2 мм (примерно 80% от 1.6 мм). Ширина площадки у микросхемы в корпусе SOIC-8 равна 0.6 мм, поэтому подводить нужно сигнал с помощью дорожки около 0.5 мм.

Стоит понимать, что данный вариант является идеальным. Переход из 1.2 мм в 0.5 мм вам наверняка не понравится — лишняя возня. Его можно избежать. Для этого обычно принимают ширину дорожки относительно минимального pad-а (площадки), то есть в данном случае можно сделать вот так:

Как видите, я выбрал ширину проводника по минимальной площадке, то есть по площадке вывода микросхемы в корпусе SOIC-8. Такой упрощение допустимо, но его стоит применять с умом.

Правило №3 — Цепи питания


Теперь рассмотрим случай, когда упрощение в отношение правила №2 просто недопустимо, а именно — проектирование цепей питания. Данной правило опирается на два предыдущих и является частным, но пожалуй самым критичным случаем.

Ошибка — пренебрежение правилами №1 и №2 при проектирование цепей питания.

Проблема №1 — на выходе вашего стабилизатора напряжения строго +3.3В. Вы включаете устройство и наблюдаете, что микросхема ведет себя неадекватно, АЦП измеряет не точно и периодически выключается. Вы измеряете напряжение на ногах потребителя (микросхемы) и обнаруживаете вместо +3.3В всего лишь +2.6В.

Проблема №2 — ваш DC-DC преобразователь не запускается, либо на выходе имеет большие пульсации.

Проблема №3 — в попытках найти неисправность, вы ставите щуп осциллографа на линию +3.3В и обнаруживаете там вместо постоянного напряжения какие-то страшные пульсации и помехи.

Решение — соблюдаем особо строго и фанатично правила №1 и №2. Дорожки максимально широкие. Питание должно приходить на микросхему через керамический конденсатор, который по возможности ставят ближе к выводу этой микросхемы.

Пример:

1) Плохо

2) Хорошо

Что я сделал чтобы стало хорошо:

1) Дорожка питания VCC3V3 теперь подходит не в обход конденсатора, а через него. То есть сначала на конденсатор, а затем уже на вывод микросхемы

2) Переходное отверстие (via) я использовал размером 1.2/0.6 мм. Да, согласно требованиям для 4 класса точности (стандартного), я могу использовать переходное отверстие размером 0.7/0.3 мм, но делать этого не стал и применил более габаритный переход. Это позволило уменьшить его сопротивление и пропустить больший ток

3) Шина питания, которая приходит от стабилизатора у меня теперь не 0.3 мм, а 2 мм! Не бойтесь делать широкие проводники. Такой подход минимизирует падение напряжения в цепи и уменьшит индуктивность проводника

Правило №4 — Земля


О влияние качества проектирование земляной шины (GND) можно говорить вечно, но любой разговор сводится к простой сути: стабильно и работоспособность устройства в наибольшей степени зависит именно от проектирование земли. Данная проблема очень объемная и требует глубокого изучения, поэтому я дам самые базовые рекомендации.

Ошибка — трассировка цепи GND (земли) обычным проводником, да еще и минимальной ширины. Это просто к-к-к-комбо!

Проблема №1 — нестабильность работы устройства и сильные помехи в цепях, особенно в цепях питания.

Проблема №2 — нагрев и часто обрыв тонкого проводника, т.к. в нем действует большой ток.

Решение — использовать полигон для разводки цепи GND, а в идеале отдельный слой, который полностью выделен для данной цепи, например, нижний слой.

Пример:

1) Плохой

2) Хороший

Как видите, вместо обычного проводника я применил заливку сплошным полигоном. Такое решение обеспечило мне огромную площадь сечения, ведь полигон это просто очень большой проводник. Только иногда такое решение имеет недостаток, например, когда плотность монтажа высокая и другие проводники разрывают сплошной полигон, как тут цепи LED1..3 разрывают кратчайший путь между выводом микросхемы и конденсатора (GND):

Тут нам поможет, упомянутый ранее, отдельный слой GND. В двухслойной плате в идеале под него выделить нижний слой, а в многослойной плате — один из внутренних слоев:

Таким образом мы восстановили кратчайший путь для тока по цепи GND, а помог в данном случае нижний слой (синий цвет), который из себя полностью представляет земляной полигон. Переходные отверстия (via) около контактных площадок обеспечили для них максимально короткое соединение с нижним слоем земли.

Конечно это идеальный случай и иногда не получится его реализовать без удорожания платы, поэтому тут решение за вами. Порой «супер» надежность и не нужна, тут важно найти для своей задачи золотую середину между стоимостью и качеством.

Правило №5 — Ширина зазора


Минимальное значение зазора между медными проводниками на печатной плате, нам диктуют технологические требования. Для 4-го (стандартного) класса значение составляет 0.15/0.15 мм или 6/6 mils. Максимальная ширина ограничена лишь вашей фантазией, габаритами платы и здравым смыслом.

Ошибка — зазор недостаточно большой, обычно оставляют значение по умолчанию около 0.15 мм.

Проблема №1 — электрический пробой. Короткое замыкание возникает, когда 2 проводника с разным потенциалом замыкают, например, металлическим предметом и ток резко возрастает. К сожалению идеальных диэлектрических материалов не бывает и в какой-то момент любой материал начинает проводить ток. Пример тому — изоляторы на ЛЭП, иногда и их пробивает. Данное явление происходит, когда превышено значение критического напряжения пробоя. По этой же причине и стеклотекстолит, являющийся основной большинства печатных плат, в какой-то момент может начать пропускать ток.

Решение — увеличение расстояния между проводниками. Напряжение пробоя зависит от типа материала и от толщины/ширины изолятора. В случае печатных плат — расстояние (зазор) между проводниками как раз является тем параметром, который влияет на критического значение напряжения пробоя. Чем больше расстояние между проводниками, тем большее напряжение необходимо чтобы пробить его.

Так же хочется сказать, что пробой по стеклотекстолиту не всегда самая актуальная проблема. Воздух, который окружает плату, тоже является диэлектриком, но при определенных условиях становится проводником, вспомните грозу. Воздушный электрический пробой большая проблема в электронике, особенно если учитывать, что воздух может быть сухой, а может и иметь влажность 90-100%, например, в тропиках или на Севере.

Пример:

Условимся, что в данном примере есть 3 проводника: выпрямленное сетевое напряжение +310В, низковольтная линия питания для микроконтроллера +3.3В и шина земли (GND).

1) Плохой

2) Хороший

Почему 0.3 мм плохо, а 0.8 мм уже хорошо спросите вы и в качестве ответа приведу вам 2 источника:

1) Обычные физика и электротехника. Данные в них разнятся из-за различных методик измерений и прочего, но наиболее реалистичная цифра для сухого воздуха составляет 2 кВ/мм. Тут многие испугаются цифры и подумают: «У меня же нет таких напряжений» и это будет ошибкой. Данное значение характерно лишь для сухого воздуха, который встретить в реальных условиях удается редко. И тут цифры уже куда скромнее, например, при влажности 100% напряжение пробоя воздуха составляет всего 250 В/мм! А еще на значение напряжения пробоя влияет запыленность воздуха и платы, а так же атмосферное давление (кривая и закон Пашена).

2) Стандарт IPC-2221, ссылку на который я давал в начале. Интересует нас таблица 6-1, которая выглядит вот так:

Как видите в таблице для большое количество значений даже для нашего конкретного случая 301-500В. Если посмотрим, то увидим значение 0.25 мм для закрытых проводников на внутренних слоях, то есть в «идеальных» условиях без доступа пыли, грязи и влаги. Если устройство будет работать где-то в горах и проводник находится на внешних слоях (все проводники в случае 2-х слойной платы) на высоте до 3000 метров, то там минимальный зазор уже 2,5 мм, то есть в 10 раза больше. Если же мы эксплуатируем устройство на большей высоте, то зазор необходим уже в 12.5 мм! Стоит сделать замечание — такой большой зазор требуется если наша плата не покрыта защитными составами, например, лаком или компаундом. Как только появляется защитное покрытие, то мы видим уже более адекватные значения: 0.8 и 1.5 мм.

Поэтому в «хорошем» примере по мимо обеспечения зазора 0.8 мм, необходимо так же покрыть плату защитных составом, например, лаком после завершения монтажа устройства, его отмывки и сушки. В противном случае необходимо увеличить зазор!

Правило №6 — Гальванический зазор


Ошибка — приравнивание диэлектрического зазора к гальваническому. По сути они очень похожи, но по требованиям все строже, когда дело доходит до гальванической развязки. Ярким случаем является развязка схемы управления и силовой части с помощью реле или оптрона, когда зазор между развязанными сторонами выбирается так же 0.8 или 1,5 мм.

Проблема №1 — пробой изоляции, выход из строя системы управления и прочего дорогого оборудования.

Решение — увеличение порога электрического пробоя. Стандартными значениями обычно являются напряжения 1,5 кВ, 2,5 кВ и 4 кВ. Если ваше устройство работает с сетевым напряжением, но человек напрямую с ним не взаимодействует, то напряжение развязки в 1,5 кВ будет достаточным. Если предполагается взаимодействие человека с устройством, например, через кнопки и прочие органы управления, то рекомендую применить изоляцию с напряжением 2,5 кВ и более.

Пример:

1) Плохой

Что плохого спросите вы, ведь зазоры на плате есть, их можно сделать и 1,5 мм. Дело в том, что даже если сделать зазор 2 мм, то этого будет недостаточным для обеспечения изоляции. Самым «слабым» местом должно быть расстояние между выводами управления реле (1-2) и выводами силовыми (3-8). Так же надо учитывать, что пробой может быть не только между проводниками на одном слое, но и на разных — насквозь плату через стеклотекстолит.

2) Хороший

Что было сделано для улучшения ситуации:

а) Появилась четкая граница между низковольтной и высоковольтной частью. Теперь проводник +3.3В не проходит в высоковольтной области +310В, полигон GND не выходит за границу низковольтной часть, соответственно и пробоя не будет. Так же в зоне/границе гальванической развязки не должно быть вообще ничего.

б) Изолирующая зона освобождена от паяльной маски. Маска — тоже слабое место и в зависимости от качества ее пробьет раньше, чем стеклотекстолит. Это делать не обязательно в общем случае, но если с устройством взаимодействуют люди, то настоятельно рекомендую.

в) Как я выше писал, слабое место — расстояние между управляющими и силовыми выводами реле. Везде я смог сделать изолирующую зону 4 мм, а тут только 2.5 мм. От маски мы очистили, от проводников тоже и единственное через что может произойти пробой по плате — стеклотекстолит. Поэтому убираем и его, я сделал вырез под реле шириной 2.5 мм и убрал весть текстолит между выводами. Данная операция тоже не обязательна, но существенно повышает надежность и безопасность вашего устройства.

Правило №7 — Переходные отверстия


Ошибка — очень часто наблюдаю картину, когда на 2-х слойной печатной плате для того, чтобы соединить 2 контактные площадки, использую 3..4… или даже 5 переходных отверстий.

Проблема №1 — переходных отверстий (via) становится слишком много на плате и это ограничивает место под проводники, что приводит к удлинению цепей, а следовательно и к увеличению их сопротивления. Уменьшает устойчивость цепей и сигналов к помехам.

Решение — используйте минимальное количество переходных отверстий: если вам нужно соединить 2 контакта на разных слоях, то не используйте более 1-го переходного отверстия. Если 2 контакта находятся на одном слое и вы не можете соединить их напрямую, то используйте максимум 2 переходных отверстия. Если вам нужно больше переходов для соединения, то что-то вы делаете не так — тренируйте логику и переразводите участок платы, который привел к проблеме.

Пример:

1) Плохо

2) Хорошо

Для соединения использовано минимальное количество переходных отверстий (via), что дает больше свободного места для других проводников и обеспечивает минимальные паразитные параметры проводника.

Несколько общих советов


  • Не используйте автотрассировщики! В «сыром» не настроенном виде они выдают ужасный результат, который даже самую светлую идею превратит в гуано. Для того, чтобы автотрассировщик работал хорошо, ему необходимо прописать определённые правила, которые скажут ему, что дороги надо не 0.15, а 1 мм и так далее. Для адекватного результат даже на простых платах приходится прописывать сотню, а то и две, этих самих правил. В Altium Designer под них выделен целый раздел, например. Если вы любитель и у вас не стоит задачи спроектировать свою плату для ноутбука, то разводите плату руками — выйдет быстрее и качество будет на высоте
  • Не ленитесь переделывать плату. Часто бывает, что вы сделали плату на 90%, но дальше все стало туго и вы начинаете нарушать «правила» и лепить гуано. Откатитесь назад, иногда приходится откатываться в самое начало, сделайте работу качественно и на этапе отладки устройства вы сэкономите очень много времени и нервов
  • Перед тем как начать проектировать плату, посмотрите несколько open source проектов, например, на хабре или hackaday. Главное не копируйте оттуда чужие очевидные ошибки
  • Если у вас есть знакомые разработчики электроники, пускай тоже любители — дайте им на проверку. Свежий взгляд на ваш проект позволит избежать очень много ошибок

Заключение


Надеюсь данная статья станет полезной для начинающих электронщиков и избавит их хотя бы от самых простых ошибок. Думаю не мало людей в данных правилах увидят и свои недочеты, но не стоит от этого правила слепо копировать. Всегда думайте головой и ищите лучший вариант, иногда и 4 переходных отверстия для 1-й цепи допустимы, если это позволяет вам улучшить конечный результат.

Те, кому данного материала мало — предлагаю ознакомиться со стандартами IPC по диагонали, сильно вчитываться смысла нет, а так же прочитать начальный курс «черной магии» от Говарда Джонса. В ней разобраны и физические принципы проектирования, а так же приводится множество рекомендаций по проектированию стандартных цепей и интерфейсов. Это раньше высокоскоростные цифровые цепи были чем-то магическим и возвышенным, но сегодня на дворе 2018 и с ними сталкиваются даже совсем новички, например, при подключение датчиков и памяти по SPI или дисплеев.

habr.com

экскурсия на завод Технотех / Madrobots corporate blog / Habr

Сегодня мы выступим в немного непривычном для себя амплуа, будем рассказывать не о гаджетах, а о технологиях, которые стоят за ними. Месяц назад мы были в Казани, где познакомились с ребятами из Навигатор-кампуса. Заодно побывали на расположенном близко (ну, относительно близко) заводе по производству печатных плат — Технотех. Этот пост — попытка разобраться в том, как же все-таки производят те самые печатные платы.

Итак, как же все-таки делают печатные платы для наших любимых гаджетов?

На заводе умеют делать платы от начала и до конца — проектирование платы по вашему ТЗ, изготовление стеклотекстолита, производство односторонних и двухсторонних печатных плат, производство многослойных печатных плат, маркировка, проверка, ручная и автоматическая сборка и пайка плат.
Для начала, я покажу, как делают двухсторонние платы. Их техпроцесс ничем не отличается от производства односторонних печатных плат, кроме того, что при изготовлении ОПП не производят операции на второй стороне.

О методах изготовления плат
Вообще, все методы изготовления печатных плат можно разделить на две большие категории: аддитивные(от латинского additio -прибавление) и субтрактивные (от латинского subtratio—отнимание). Примером субтрактивной технологии является всем известный ЛУТ(Лазерно-утюжная технология) и его вариации. В процессе создания печатной платы по этой технологии мы защищаем будущие дорожки на листе стеклотекстолита тонером от лазерного принтера, а затем стравливаем все ненужное в хлорном железе.
В аддитивных методах проводящие дорожки, наоборот, наносятся на поверхность диэлектрика тем или иным способом.
Полуаддитивные методы(иногда их еще называют комбинированными. ) — нечто среднее между классическими аддитивными и субтрактивными. В процессе производства ПП по этому методу часть проводящего покрытия может стравливаться(иногда почти сразу после нанесения), но как правило это происходит быстрее/проще/дешевле, чем в субтрактивных методах. В большинстве случаев, это следствие того, что большая часть толщины дорожек наращивается гальваникой или химическими методами, а слой, который подвергается травлению — тонкий, и служит лишь в качестве проводящего покрытия для гальванического осаждения.
Я покажу именно комбинированный метод.
Изготовление двухслойных печатных плат по комбинированному позитивному методу(полуаддитивный метод)
Изготовление стеклотекстолита
Процесс начинается с изготовления фольгированного стеклотекстолита. Стеклотекстолит — это материал, состоящий из тонких листов стекловолокна(они похожи на плотную блестящую ткань), пропитанных эпоксидной смолой и спрессованных стопкой в лист.
Сами полотна стекловолокна тоже не слишком просты — это плетеные(как обычная ткань в вашей рубашке) тонкие-тонкие нити обычного стекла. Они настолько тонкие, что могут легко гнуться в любых направлениях. Выглядит это примерно вот так:

Увидеть ориентацию волокон можно на многострадальной картинке из википедии:

В центре платы, светлые участки — это волокна идут перпендикулярно срезу, участки чуть темнее — параллельно.
Или например на микрофотографии tiberius, насколько я помню из этой статьи:

Итак, начнем.
Стекловолоконное полотно поступает на производство вот в таких бобинах:

Оно уже пропитано частично отвержденной эпоксидной смолой — такой материал называется препрегом, от английского pre-impregnated — предварительно пропитанный. Так как смола уже частично отверждена, она уже не такая липкая, как в жидком состоянии — листы можно брать руками, совсем не опасаясь испачкаться в смоле. Смола станет жидкой только при нагреве фольги, и то лишь на несколько минут, прежде чем застыть окончательно.
Нужное количество слоев вместе с медной фольгой собирается вот на этом аппарате:

А вот сам рулон фольги.

Далее полотно нарезается на части и поступает в пресс высотой в два человеческих роста:

На фото Владимир Потапенко, начальник производства.
Интересно реализована технология нагрева во время прессования: нагреваются не части пресса, а сама фольга. На обе стороны листа подается ток, который за счет сопротивления фольги нагревает лист будущего стеклотекстолита. Прессование происходит при сильно пониженном давлении, для исключения появления воздушных пузырей внутри текстолита

При прессовании, за счет нагрева и давления, смола размягчается, заполняет пустоты и после полимеризации получается единый лист.
Вот такой:

Он нарезается на заготовки для плат специальным станком:

Технотех использует два вида заготовок: 305х450 — маленькая групповая заготовка, 457х610 — большая заготовка
После этого к каждому комплекту заготовок распечатывается маршрутная карта, и путешествие начинается…

Маршрутная карта — это вот такая бумажка с перечнем операций, информацией о плате и штрих-кодом. Для контроля выполнения операций используется 1С 8, в которую внесена вся информация о заказах, о техпроцессе и так далее. После выполнения очередного этапа производства сканируется штрихкод на маршрутном листе и заносится в базу.

Сверловка заготовок
Первый этап производства однослойных и двухслойных печатных плат — сверление отверстий. С многослойными платами все сложнее, и я расскажу об этом позже. Заготовки с маршрутными листами поступают на участок сверловки:

Из заготовок собирается пакет для сверловки. Он состоит из подложки(материал типа фанеры), от одной до трех одинаковых заготовок печатных плат и алюминиевой фольги. Фольга нужна для определения касания сверла поверхности заготовки — так станок определяет поломку сверла. Еще при каждом захвате сверла он контролирует его длину и заточку лазером.

После сборки пакета он закладывается вот в этот станок:

Он такой длинный, что мне пришлось сшивать эту фотку из нескольких кадров. Это швейцарский станок фирмы Posalux, точной модели, к сожалению не знаю. По характеристикам он близок вот к этому. Он ест трехразовое трехфазное питание напряжением 400В, и потребляет при работе 20 КВт. Вес станка около 8 тонн. Он может одновременно обрабатывать четыре пакета по разным программам, что в сумме дает 12 плат за цикл(естественно, что все заготовки в одном пакете будут просверлены одинаково). Цикл сверления — от 5 минут до нескольких часов, в зависимости от сложности и количества отверстий. Среднее время — около 20 минут. Всего таких станков у технотеха три штуки.

Программа разрабатывается отдельно, и подгружается по сети. Все что надо сделать оператору — отсканировать штрихкод партии и заложить пакет из заготовок внутрь. Емкость инструментального магазина: 6000 сверл или фрез.

Рядом стоит большой шкаф со сверлами, но оператору нет необходимости контролировать заточку каждого сверла и менять его — станок все время знает степень износа сверл — записывает себе в память сколько отверстий было просверлено каждым сверлом. При исчерпании ресурса сам меняет сверло на новое, старые сверла останется выгрузить из контейнера и отправить на повторную заточку.

Вот так выглядят внутренности станка:

После сверловки в маршрутном листе и базе делается отметка, а плата отправляется по этапу на следующий этап.
Очистка, активация заготовок и химическое меднение.
Хоть станок и пользуется своими «пылесосом» во время и после сверловки, поверхность платы и отверстий все равно надо очистить от загрязнений и подготовить к следующей технологической операции. Для начала, плата просто очищается в моющем растворе механическими абразивами

Надписи, слева направо: «Камера зачистки щетками верх/низ», «Камера промывки», «Нейтральная зона».
Плата становится чистой и блестящей:

После этого в похожей установке проводится процесс активации поверхности. Для каждой поверхности вводится серийный номер Активация поверхности — это подготовка к осаждению меди на внутреннюю поверхность отверстий для создания переходных отверстий между слоями платы. Медь не может осесть на неподготовленную поверхность, поэтому плату обрабатывают специальными катализаторами на основе палладия. Палладий, в отличии от меди, легко осаждается на любую поверхность, и в дальнейшем служит центрами кристаллизации для меди. Установка активации:

После этого, последовательно проходя несколько ванн в еще одной похожей установке заготовка обзаводится тонким(меньше микрона) слоем меди в отверстиях.

Дальше этот слой гальваникой наращивается до 3-5 микрон — это улучшает стойкость слоя к окислению и повреждениям.

Нанесение и экспонирование фоторезиста, удаление незасвеченных участков.
Дальше плата отправляется в участок нанесения фоторезиста. Нас туда не пустили, потому что он закрыт, и вообще, там чистая комната, поэтому ограничимся фотографиями через стекло. Нечто подобное я видел в Half-Life(я про трубы, спускающиеся с потолка):

Собственно вот зеленая пленка на барабане — это и есть фоторезист.

Далее, слева направо(на первой фотографии): две установки нанесения фоторезиста, дальше автоматическая и ручная рамы для засветки по заранее подготовленным фотошаблонам. В автоматической раме присутствует контроль, который учитывает допуск по совмещению с реперными точками и отверстиями. В ручной рамке маска и плата совмещаются руками. На этих же рамах экспонируется шелкография и паяльная маска. Дальше — установка проявки и отмывки плат, но так как мы туда не попали, фотографий этой части у меня нет. Но там ничего интересного — примерно такой же конвейер как в «активации», где заготовка проходит последовательно несколько ванн с разными растворами.
А на переднем плане — огромный принтер, который эти самые фотошаблоны печатает:

Вот плата с нанесенным, экспонированным и проявленным:

Обратите внимание, фоторезист нанесен на места, на которых в дальнейшем не будет меди — маска негативная, а не позитивная, как в в ЛУТ-е или домашнем фоторезисте. Это потому, что в дальнейшем наращивание будет происходить в местах будущих дорожек.

Это тоже позитивная маска:

Все эти операции происходят при неактиничном освещении, спектр которого подобран таким образом, чтобы одновременно не оказывать влияния на фоторезист и давать максимальную освещенность для работы человека в данном помещении.
Люблю объявления, смысл которых я не понимаю:
Гальваническая металлизация
Теперь настал через ее величества — гальванической металлизации. На самом деле, ее уже проводили на прошлом этапе, когда наращивали тонкий слой химической меди. Но теперь слой будет наращён еще больше — с 3 микрон до 25. Это уже тот слой, который проводит основной ток в переходных отверстиях. Делается это вот в таких ваннах:

В которых циркулируют сложные составы электролитов:

А специальный робот, повинуясь заложенной программе, таскает платы из одной ванны в другую:

Один цикл меднения занимает 1 час 40 минут. В одной паллете могут обрабатываться 4 заготовки, но в ванне таких паллет может быть несколько.
Осаждение металлорезиста
Следующая операция представляет собой еще одну гальваническую металлизацию, только теперь осаждаемый материал не медь, а ПОС — припой свинец-олово. А само покрытие, по аналогии с фоторезистом называется металлорезистом. Платы устанавливаются в раму:

Эта рама проходит несколько уже знакомых нам гальванических ванн:

И покрывается белым слоем ПОС-а. На заднем плане видна другая плата, еще не обработанная:
Удаление фоторезиста, травление меди, удаление металлорезиста

Теперь с плат смывается фоторезист, он выполнил свою функцию. Теперь на все еще медной плате остались дорожки, покрытые металлорезистом. На этой установке происходит травление в хитром растворе, который травит медь, но не трогает металлорезист. Насколько я запомнил, он состоит из углекислого аммония, хлористого аммония и гидрооксида аммония. После травления платы выглядят вот так:

Дорожки на плате — это «бутерброд» из нижнего слоя меди и верхнего слоя гальванического ПОС-а. Теперь, другим еще более хитрым раствором проводится другая операция — слой ПОС-а убирается, не затрагивая слой меди.

Правда, иногда ПОС не убирается, а оплавляется в специальных печах. Или плата проходит горячее лужение(HASL-процесс) — когда она опускается в большую ванну с припоем. Сначала она покрывается канифольным флюсом:

И устанавливается вот в такой автомат:

Он опускает плату в ванну с припоем и тут же вытаскивает ее обратно. Потоки воздуха сдувают лишний припой, оставляя лишь тонкий слой на плате. Плата получается вот такая:

Но на самом деле метод немного «варварский» и не очень действует на платы, особенно многослойные — при погружении в расплав припоя плата переносит температурный шок, что не очень хорошо действует на внутренние элементы многослойных плат и тонкие дорожки одно- и двухслойных.
Гораздо лучше покрывать иммерсионным золотом или серебром. Вот тут очень хорошая информация о иммерсионных покрытиях, если кому интересно.
Мы не побывали на участке иммерсионных покрытий, по банальной причине — он был закрыт, а за ключом было идти лень. А жаль.
Электротест
Дальше почти готовые платы отправляются на визуальный контроль и электротест. Электротест — это когда проверяются соединения всех контактных площадок между собой, нет ли где обрывов. Выглядит это очень забавно — станок держит плату и быстро-быстро тыкает в нее щупами. Видео этого процесса можно посмотреть у меня в инстаграме(кстати, подписаться можно там же). А в виде фото это выглядит вот так:

Та большая машина слева — и есть электротест. А вот и сами щупы ближе:

На видео, правда, была другая машинка — с 4 щупами, а тут их 16. Говорят, гораздо быстрее всех трех старых машинок с четырьмя щупами вместе взятых.
Нанесение паяльной маски и покрытие контактных площадок
Следующий технологический процесс — нанесение паяльной маски. То самое зеленое(ну, чаще всего зеленое. А вообще оно бывает очень разных цветов) покрытие, которое мы видим на поверхности плат. Подготовленные платы:

Закладываются вот в такой автомат:

Который через тонкую сеточку размазывает полужидкую маску по поверхности платы:

Видео нанесения, кстати, тоже можно посмотреть в инстаграме(и подписаться тоже:)
После этого, платы сушатся, пока маска перестанет липнуть, и экспонируются в той же желтой комнате, что мы видели выше. После этого, неэкспонированная маска смывается, обнажая контактные пятачки:

Потом их покрывают финишным покрытием — горячим лужением или иммерсионным нанесением:

И наносят маркировку — шелкографию. Это белые(чаще всего) буковки, которые показывают, где какой разъем и какой элемент тут стоит.
Она может наносится по двум технологиям. В первом случае все происходит так же, как и с паяльной маской, отличается лишь цвет состава. Она закрывает всю поверхность платы, потом экспонируется, и неотвержденные ультрафиолетом участки смываются. Во втором случает ее наносит специальный принтер, печатающий хитрым эпоксидным составом:

Это и дешевле, и гораздо быстрее. Военные, кстати, не жалуют этот принтер, и постоянно указывают в требованиях к своим платам, что маркировка наносится только фотополимером, что очень огорчает главного технолога.
Изготовление многослойных печатных плат по методу металлизации сквозных отверстий:
Все, что я описал выше — касается только односторонних и двухсторонних печатных плат(на заводе их, кстати, никто так не называет, все говорят ОПП и ДПП). Многослойные платы(МПП) делаются на этом же оборудовании, но немного по другой технологии.
Изготовление ядер
Ядро — это внутренний слой тонкого текстолита с медными проводниками на нем. Таких ядер в плате может быть от 1(плюс две стороны — трехслойная плата) до 20. Одно из ядер называется золотым — это означает, что оно используется в качестве реперного — того слоя, по которому выставляются все остальные. Ядра выглядят вот так:

Изготавливаются они точно так же, как и обычные платы, только толщина стеклотекстолита очень мала — обычно 0,5мм. Лист получается такой тонкий, то его можно изгибать, как плотную бумагу. На его поверхность наносится медная фольга, и дальше происходят все обычные стадии — нанесение, экспонирование фоторезиста и травление. Итогом этого являются вот такие листы:

После изготовления дорожки проверяются на целостность на станке, который сравнивает рисунок платы на просвет с фотошаблоном. Кроме этого, существует еще и визуальный контроль. Причем реально визуальный — сидят люди и смотрят в заготовки:

Иногда какая-то из стадий контроля выносит вердикт о плохом качестве одной из заготовок(черные крестики):

Этот лист плат, в которой случился дефект все равно изготовится полностью, но после нарезки бракованная плата пойдет в мусор. После того, как все слои изготовлены и проверены, наступает черед следующей технологической операции.
Сборка ядер в пакет и прессование
Это происходит в зале под названием «Участок прессования»:

Ядра для платы выкладываются вот в такую стопочку:

А рядом кладется карта расположения слоев:

После чего в дело вступает полуавтоматическая машина прессования плат. Полуавтоматичность ее заключается в том, что оператор должен по ее команде подавать ей ядра в определенном порядке.

Перекладывая их для изоляции и склеивания листами препрега:

А дальше начинается магия. Автомат захватывает и переносит листы в рабочее поле:

А затем совмещает их по реперным отверстиям относительно золотого слоя.

Дальше заготовка поступает в горячий пресс, а после прогрева и полимеризации слоев — в холодный. После этого мы получаем такой же лист стеклотекстолита, который ничем не отличается от заготовок для двухслойных печатных плат. Но внутри у него доброе сердце несколько ядер со сформированными дорожками, которые, правда, еще никак не связаны между собой и разделены изолирующими слоями полимеризированного препрега. Дальше процесс проходит те же стадии, что я уже описывал ранее. Правда, за небольшим различием.
Сверловка заготовок
При сборке пакета ОПП и ДПП для сверловки его не нужно центровать, и его можно собирать с некоторым допуском — все равно это первая технологическая операция, и все остальные будут ориентироваться на нее. А вот при сборке пакета многослойных печатных плат очень важно привязаться к внутренним слоям — при сверловке отверстие должно пройти насквозь все внутренние контакты ядер, соединив их в экстазе при металлизации. Поэтому пакет собирается вот на такой машинке:

Это рентгеновский сверлильный станок, который видит сквозь текстолит внутренние металлически реперные метки и по их расположению сверлит базовые отверстия, в которые вставляются крепежи для установки пакета в сверлильный станок.
Металлизация
Дальше все просто — заготовки сверлятся, очищаются, активируются и металлизируются. Металлизация отверстия связывает между собой все медные пяточки внутри печатной платы:

Таким образом, завершая электронную схему внутренностей печатной платы.
Проверка и шлифы
Дальше от каждой платы отрезается кусочек, который шлифуется и рассматривается в микроскоп, для того, чтобы удостовериться, что все отверстия получились нормально.

Эти кусочки называются шлифы — поперечно срезанные части печатной платы, которые позволяет оценить качество платы в целом и толщину медного слоя в центральных слоях и переходных отверстиях. В данном случае, под шлиф пускают не отдельную плату, а специально сделанные с краю платы весь набор диаметров переходных отверстий, которые используются в заказе. Шлиф, залитый в прозрачный пластик выглядит вот так:
Фрезеровка или скрайбирование
Далее платы, которые находятся на групповой заготовке необходимо разделить на несколько частей. Делается это либо на фрезерном станке:

Который фрезой вырезает нужный контур. Другой вариант — скрайбирование, это когда контур платы не вырезается, а надрезается круглым ножом. Это быстрее и дешевле, но позволяет делать только прямоугольные платы, без сложных контуров и внутренних вырезов. Вот скрайбированная плата:

А вот фрезерованная:

Если заказывалось только изготовление плат, то на этом все заканчивается — платы складывают в стопочку:

Оборачивается все тем же маршрутным листом:

И ждет отправки.
А если нужна сборка и запайка, то впереди есть еще кое-что интересное.
Сборка

Дальше плата, если это необходимо поступает на участок сборки, где на нее напаиваются нужные компоненты. Если мы говорим о ручной сборке — то все понятно, сидят люди(кстати, в большинстве своем женщины, когда я к ним зашел, у меня уши в трубочку свернулись от песни из магнитофона «Боже, какой мужчина»):

И собирают, собирают:

А вот если говорить о автоматической сборке, то там все гораздо интереснее. Происходит это вот на такой длинной 10-метровой установке, которая делает все — от нанесения паяльной пасты до пайки по термопрофилям.

Кстати, все серьёзно. Там заземлены даже коврики:

Как я говорил, начинается все с того, что на неразрезанный лист с печатными платами устанавливают вместе с металлическим шаблоном в начало станка. На шаблон густо намазывается паяльная паста, и ракельный нож проходя сверху оставляет точно отмерянные количества пасты в углублениях шаблона.

Шаблон поднимается, и паяльная паста оказывается в нужных местах на плате. Кассеты с компонентами устанавливаются в отсеки:

Каждый компонент заводится в соответствующую ему кассету:

Компьютеру, управляющему станком, говорится где какой компонент находится:

И он начинает расставлять компоненты на плате.

Выглядит это вот так(видео не мое). Можно смотреть вечно:

Аппарат установки компонентов называется Yamaha YS100 и способен устанавливать 25000 компонентов в час(на один тратится 0.14 секунды).
Дальше плата проходит горячую и холодные зоны печки(холодная — это значит «всего» 140°С, по сравнению с 300°С в горячей части). Побыв строго определенное время в каждой зоне со строго определенной температурой, паяльная паста плавится, образуя одно целое с ножками элементов и печатной платой:

Запаянный лист плат выглядит вот так:

Все. Плата разрезается, если нужно и упаковывается, чтобы вскоре уехать к заказчику:
Примеры
Напоследок, примеры того, что технотех может делать. Например, конструирование и изготовление многослойных плат(до 20 слоев), включая платы для BGA компонентов и HDI платы:

C со всеми «номерными» военными приемками(да, на каждой плате вручную ставится номер и дата изготовления — этого требуют военные):

Проектирование, изготовления и сборка плат практически любой сложности, из своих или из компонентов заказчика:

И ВЧ, СВЧ, платы с металлизированным торцом и металлическим основанием(фотографий этого я не сделал, к сожалению).
Конечно, они не конкурент резониту в плане быстрых прототипов плат, но если у вас от 5 штук, рекомендую запросить у них стоимость изготовления — они очень хотят работать с гражданскими заказами.

И все-таки, в России производство еще есть. Что бы там не говорили.

Напоследок можно отдышаться, поднять глаза на потолок и попытаться разобраться в хитросплетениях труб:

Что почитать?
Субтрактивный комбинированный позитивный метод в домашних условиях
ДПП в картинках
Несколько разных технологий изготовления ДПП и МПП
Производство в фотографиях(правда, без описания)


habr.com

Печатная плата: описание, назначение

Печатная плата представляет собой элемент конструкции, который состоит из диэлектрической основы и медных проводников, которые нанесены на основу в виде металлизированных участков. Она обеспечивает соединение всех радиоэлектронных элементов цепи.

Печатная плата имеет ряд преимуществ по сравнению с объемным (навесным) монтажом с использованием кабелей и проводов:

  • высокая плотность монтажа радиокомпонентов и их соединений, в результате чего значительно сокращаются габариты и вес изделия; 
  • получение проводников и экранирующих поверхностей, а также радиоэлементов в едином технологическом цикле; 
  • стабильность, повторяемость таких характеристик, как емкость, проводимость, индуктивность; 
  • высокое быстродействие и помехозащищенность схем; 
  • стойкость к механическим и климатическим воздействиям; 
  • стандартизация и унификация технологических и конструктивных решений; 
  • надежность узлов, блоков и самого устройства в целом; 
  • повышенная технологичность в результате комплексной автоматизации сборочных работ и контрольно-регулировочных действий; 
  • низкая трудоемкость, материалоемкость и себестоимость.

Печатная плата имеет также и недостатки, но их совсем немного: ограниченная ремонтопригодность и высокая сложность добавления изменений конструкции. 

К элементам таких плат относятся: диэлектрическое основание, металлизированное покрытие, представляющее собой рисунок печатных проводников, контактных площадок; фиксирующие и монтажные отверстия.

Требования, которые предъявляет к этим изделиям ГОСТ

  • Печатные платы должны иметь однородную по цвету диэлектрическую основу, которая должна быть монолитна по структуре, не содержать внутренних пузырьков, раковин, инородных включений, трещин, сколов, расслоений. Однако допускаются одиночные царапины, вкрапления металла, следы одиночного удаления непротравленного участка, а также проявление структуры, которое не меняет электрические параметры изделия, не уменьшает допустимого расстояния между элементами рисунка.
  • Рисунок – четкий, с ровным краем, без вздутий, разрывов, отслоений, следов инструмента. Допускаются незначительные местные протравы, но не более пяти точек на квадратный дециметр, при условии, что остальная ширина дорожки будет соответствовать минимально допустимой; царапины длиной до шести миллиметров и глубиной до 25 микрон.

Для улучшения коррозионных характеристик и повышения паяемости поверхность платы покрывают электролитическим составом, который должен быть сплошным, без отслоений, разрывов и подгаров. Фиксирующие и монтажные отверстия необходимо располагать в соответствии с чертежом. Допускается иметь отклонения, определенные классом точности платы. С целью улучшения надежности пайки на все внутренние поверхности монтажных отверстий напыляют слой меди, толщина которого должна быть не менее 25 мкм. Этот процесс называют – металлизация отверстий. 

Что такое классы печатных плат? Под этим понятием подразумевают классы точности изготовления плат, они предусмотрены ГОСТом 23751-86. В зависимости от плотности рисунка печатная плата имеет пять классов точности, выбор которого определяется уровнем технического оснащения предприятия. Первый и второй классы не требуют высокоточного оборудования и считаются дешевыми в производстве. Четвертый и пятый классы требуют специальных материалов, специализированного оборудования, идеальной чистоты в производственных помещениях, кондиционирования воздуха, поддержания температурного режима. Отечественные предприятия массово выпускают печатные платы третьего класса точности. 

fb.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о