На каком материале делают платы. Базовые материалы для производства печатных плат. Что такое ламинат с ультрафиолетовой блокировкой

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), 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. 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: (NH4)2S2O8+Cu → (NH4)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:

• 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 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.

Физико-механические свойства ма­териалов должны удовлетворять уста­новленным ТУ и обеспечивать качест­венное изготовление ПП в соответст­вии с типовыми ТП. Для изготовле­ния плат применяют слоистые плас­тики – фольгированные диэлектрики, плакированные электролитической медной фольгой толщиной 5, 20, 35, 50, 70 и 105 мкм с чистотой меди не менее 99,5 %, шероховатостью поверх­ности не менее 0,4–0,5 мкм, которые поставляются в виде листов размера­ми 500×700 мм и толщиной 0,06–3 мм. Слоистые пластики должны об­ладать высокой химической и терми­ческой стойкостью, влагопоглощением не более 0,2–0,8 %, выдерживать термоудар (260°С) в течение 5–20с. Поверхностное сопротивление диэлектриков при 40°С и относительной влажности 93 % в течение 4 сут. долж­но быть не менее 10 4 МОм. Удельное объемное сопротивление диэлектри­ка – не менее 5·10 11 Ом·см. Проч­ность сцепления фольги с основанием (полоска шириной 3мм) – от 12 до 15 МПа. В качестве основы в слоистых пла­стиках используют гетинакс , представ­ляющий собой спрессованные слои электроизоляционной бумаги, пропи­танные фенольной смолой, стеклотекстолиты – спрессованные слои стекло­ткани, пропитанные эпоксифенольнои смолой, и другие материалы (табл. 2.1).

Табл.2.1. Основные материалы для изготовления плат.

Гетинакс, обладая удовлетворитель­ными электроизоляционными свойст­вами в нормальных климатических условиях, хорошей обрабатываемо­стью и низкой стоимостью, нашел применение в производстве бытовой РЭА. Для ПП, эксплуатируемых в сложных климатических условиях с широким диапазоном рабочих темпе­ратур (– 60...+180°С) в составе элек­тронно-вычислительной аппаратуры, техники связи, измерительной техни­ки, применяют более дорогие стекло текстолиты. Они отличаются широ­ким диапазоном рабочих температур, низким (0,2 – 0,8 %) водопоглощением, высокими значениями объемного и поверхностного сопротивлений, стой­костью к короблению. Недостатки– возможность отслаивания фольги при термоударах, наволакивание смолы при сверлении отверстий. Повышение огнестойкости диэлектриков (ГПФ, ГПФВ, СПНФ, СТНФ), используемых в блоках питания, достигается введе­нием в их состав антипиренов (напри­мер, тетрабромдифенилпропана).

Для изготовления фольгированных диэлектриков используется в основном электролитическая медная фольга, од­на сторона которой должна иметь гладкую поверхность (не ниже вось­мого класса чистоты) для обеспечения точного воспроизведения печатной схе­мы, а другая должна быть шерохова­той с высотой микронеровностей не менее 3 мкм для хорошей адгезии к диэлектрику. Для этого фольгу под­вергают оксидированию электрохимическим путем в растворе едкого натра. Фольгирование диэлектриков осуще­ствляют прессованием при температу­ре 160 – 180°С и давлении 5 –15 МПа.

Керамические материалы характери­зуются высокой механической проч­ностью, которая незначительно изме­няется в диапазоне температур 20–700°С, стабильностью электрических и геометрических параметров, низки­ми (до 0,2%) водопоглощением и газовыделением при нагреве в вакууме, однако являются хрупкими и имеют высокую стоимость.

В качестве металлической основы плат используют сталь и алюминий. На стальных основаниях изолирова­ние токоподводящих участков осуще­ствляют с помощью специальных эма­лей, в состав которых входят оксиды магния, кальция, кремния, бора, алю­миния или их смеси, связка (поливинилхлорид, поливинилацетат или метилметакрилат) и пластификатор. Пленку наносят на основание путем прокатки между вальцами с последующим вжиганием. Изолирующий слой толщиной от нескольких десятков до сотен микрометров с сопротивлением изоляции 10 2 – 10 3 МОм на поверхно­сти алюминия получают анодным ок­сидированием. Теплопроводность ано­дированного алюминия 200 Вт/(м·К), а стали – 40 Вт/(м·К). В качестве основы для ПП СВЧ-диапазона используют неполярные (фто­ропласт, полиэтилен, полипропилен) и полярные (полистирол, полифениленоксид) полимеры. Для изготовления микроплат и микросборок СВЧ-диапазона применяют также керамиче­ские материалы, имеющие стабильные электрические характеристики и гео­метрические параметры.

Полиамидная пленка используется для изготовления гибких плат, обла­дающих высокой прочностью на рас­тяжение, химической стойкостью, не­сгораемостью. Она имеет наиболее высокую среди полимеров темпера­турную устойчивость, так как не теря­ет гибкости от температур жидкого азота до температур эвтектической пайки кремния с золотом (400°С). Кроме того, она характеризуется низ­ким газовыделением в вакууме, радиа­ционной стойкостью, отсутствием на­волакивания при сверлении. Недос­татки – повышенное водопоглощение и высокая стоимость.

Формирование рисунка схемы.

Нанесение рисунка схемы или за­щитного рельефа требуемой конфигу­рации необходимо при осуществлении процессов металлизации и травления. Рисунок должен иметь четкие грани­цы с точным воспроизведением тон­ких линий, быть стойким к травиль­ным растворам, не загрязнять платы и электролиты, легко сниматься после выполнения своих функций. Перенос рисунка печатного монтажа на фольгированный диэлектрик осуществляют методами сеткографии, офсетной пе­чати и фотопечати. Выбор метода за­висит от конструкции платы, требуе­мой точности и плотности монтажа, серийности производства.

Сеткографический метод нанесения рисунка схемы наиболее рентабелен для массового и крупносерийного производства плат при минимальной ширине проводников и расстоянии между ними > 0,5 мм, точность вос­произведения изображения ±0,1 мм. Суть заключается в нанесении на пла­ту специальной кислотостойкой крас­ки путем продавливания ее резиновой лопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет, в котором необходимый ри­сунок образован открытыми ячейками сетки (рис. 2.4).

Для изготовления трафарета ис­пользуют металлические сетки из не­ржавеющей стали с толщиной прово­локи 30–50 мкм и частотой плетения 60–160 нитей на 1 см, металлизиро­ванного нейлонового волокна, имею­щего лучшую эластичность, с толщи­ной нити 40 мкм и частотой плетения до 200 нитей на 1 см, а также из по­лиэфирных волокон и капрона

Од­ним из недостатков сеток является их растяжение при многократном использовании. Самой большой стойкостью обладают сетки из нержавеющей стали (до 20 тыс. отпечатков), метал­лизированных пластмасс (12 тыс.), по­лиэфирных волокон (до 10 тыс.), ка­прона (5 тыс.).

Рис. 2.4. Принцип трафаретной печати.

1 – ракель; 2 – трафарет; 3 – краска; 4 – основание.

Изображение на сетке получают с помощью экспонирования жидкого или сухого (пленочного) фоторезиста, после проявления которого образуют­ся открытые (свободные от рисунка) ячейки сетки. Трафарет в сеткографи­ческой раме устанавливают с зазором 0,5–2 мм от поверхности платы так, чтобы контакт сетки с поверхностью платы был только в зоне нажатия на сетку ракелем. Ракель представляет собой прямоугольную заточенную по­лосу резины, установленную по отно­шению к подложке под углом 60–70°.

Для получения рисунка ПП исполь­зуют термоотверждающиеся краски СТ 3.5;

СТ 3.12, которые сушат либо в термошкафу при температуре 60°С в течение 40 мин, либо на воздухе в те­чение 6 ч, что удлиняет процесс сеткографии. Более технологичными яв­ляются фотополимерные композиции ЭП-918 и ФКП-ТЗ с ультрафиолетовым отверждением в течение 10–15с, что является решающим фактором при автоматиза­ции процесса. При однократном на­несении покрытие зеленого цвета имеет толщину 15–25 мкм, воспроиз­водит рисунок с шириной линий и за­зорами до 0,25 мм, выдерживает погружение в расплав припоя ПОС-61 при температуре 260°С до 10 с, воз­действие спиртобензиновой смеси до 5 мин и термоциклирование в интер­вале температур от – 60 до +120 °С. После нанесения рисунка плату про­сушивают при температуре 60 °С в те­чение 5–8 мин, контролируют качест­во и при необходимости подвергают ретуши. Удаление защитной маски после травления или металлизации осуществляют химическим методом в 5 %-м растворе едкого натра в течение 10–20 с.

Табл. 2.2. Оборудование для трафаретной печати.

Для трафаретной печати использу­ют полуавтоматическое и автоматиче­ское оборудование, отличающееся фор­матом печати и производительностью (табл. 2.2). Автоматические линии тра­фаретной печати фирм Chemcut (США), Resco (Италия) имеют авто­матические системы подачи и уста­новки плат, движения ракеля и пода­чи резиста. Для сушки резиста приме­няют ИК-печитуннельного типа.

Офсетная печать применяется для крупносерийного производства ПП при малой номенклатуре схем. Разре­шающая способность 0,5–1 мм, точ­ность получаемого изображения со­ставляет ±0,2 мм. Суть метода в том, что в клише, несущее изображение схемы (печатные проводники, кон­тактные площадки), закатывается краска. Затем она снимается офсетным валиком, покрытым резиной, пе­реносится, на изоляционное основание и подвергается сушке. Клише и осно­вание платы располагаются друг за другом на основании машины для оф­сетной печати (рис. 2.5)

Рис.2.5. Схема офсетной печати.

1 – офсетный валик; 2 – клише; 3 – плата;

4 – валик для нанесения краски; 5 – прижимной валик.

Точность печати и резкость конту­ров определяются параллельностью валика и основания, типом и конси­стенцией краски. С помощью одного клише можно выполнить неограни­ченное число оттисков. Производи­тельность метода ограничена длитель­ностью колебательного цикла (нанесе­ние краски – перенос) и не превыша­ет 200–300 оттисков в час. Недостат­ки метода: длительность процесса изготовления клише, сложность измене­ния рисунка схемы, трудность получе­ния беспористых слоев, высокая стои­мость оборудования.

Фотографический метод нанесения рисунка позволяет получать минималь­ную ширину проводников и расстоя­ния между ними 0,1–0,15 мм с точ­ностью воспроизведения до 0,01 мм. С экономической точки зрения этот способ менее рентабельный, но по­зволяет получать максимальную раз­решающую способность рисунка и по­этому применяется в мелкосерийном и серийном производстве при изго­товлении плат высокой плотности и точности. Способ основан на исполь­зовании светочувствительных компози­ций, называемых фоторезистами ,ко­торые должны обладать: высокой чув­ствительностью; высокой разрешаю­щей способностью; однородным по всей поверхности беспористым слоем с высокой адгезией к материалу пла­ты; устойчивостью к химическим воз­действиям; простотой приготовления, надежностью и безопасностью приме­нения.

Фоторезисты разделяются на нега­тивные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием излучения образуют защитные участки рельефа в результате фотополимеризации и задубливания. Освещенные участки пе­рестают растворяться и остаются на поверхности подложки. Позитивные фо­торезисты передают рисунок фото­шаблона без изменений. При световой обработке экспонированные участки разрушаются и вымываются.

Для получения рисунка схемы при использовании негативного фоторезиста экспонирование производят через негатив, позитивного – через пози­тив. Позитивные фоторезисты имеют более высокую разрешающую способ­ность, что объясняется различиями в поглощении излучения фоточувстви­тельным слоем. На разрешающую спо­собность слоя влияют дифракционное огибание света на краю непрозрачно­го элемента шаблона и отражение све­та от подложки (рис. 2.6, а).

Рис.2.6. Экспонирование светочувствительного слоя:

а – экспонирование; б – негативный фоторезист; в – позитивный фоторезист;

1 –дифракция; 2 –рассеяние; 3 –отражение; 4 –шаблон; 5 – резист; 6 – подложка.

В негативном фоторезисте дифрак­ция не играет заметной роли, по­скольку шаблон плотно прижат к резисту, но в результате отражения во­круг защитных участков появляется ореол, который снижает разрешаю­щую способность (рис. 2.6, б). В слое позитивного резиста под влиянием дифракции разрушится и вымоется при проявлении только верхняя об­ласть резиста под непрозрачными уча­стками фотошаблона, что мало ска­жется на защитных свойствах слоя. Свет, отраженный от подложки, может вызвать некоторое разрушение прилегающей к ней области, но про­явитель эту область не вымывает, так как под действием адгезионных сил слой опустится вниз, вновь образуя четкий край изображения без ореола (рис. 2.6, в).

В настоящее время в промышлен­ности используются жидкие и сухие (пленочные) фоторезисты. Жидкие фоторезисты – коллоидные растворы синтетических полимеров, в частности поливинилового спирта (ПВС). Наличие гидроксильной груп­пы ОН в каждом звене цепи опреде­ляет высокую гигроскопичность и по­лярность поливинилового спирта. При добавлении к водному раствору ПВС бихромата аммония происходит «очув­ствление» последнего. Фоторезист на основе ПВС наносят на предваритель­но подготовленную поверхность пла­ты путем окунания заготовки, поли­вом с последующим центрифугирова­нием. Затем слои фоторезиста сушат в термошкафу с циркуляцией воздуха при температуре 40°С в течение 30–40 мин. После экспонирования осу­ществляется проявление фоторезиста в теплой воде. Для повышения хими­ческой стойкости фоторезиста на ос­нове ПВС применяют химическое дубление рисунка ПП в растворе хромового ангидрида, а затем термиче­ское дубление при температуре 120°С в течение 45–50 мин. Раздубливание (снятие) фоторезиста проводят в тече­ние 3–6 с в растворе следующего состава:

– 200–250 г/л щавелевой кисло­ты,

– 50–80 г/л хлористого натрия,

– до 1000 мл воды при температуре 20 °С.

Достоинства фоторезиста на основе ПВС – низкие токсичность и пожароопасность, проявление с помощью воды. К недостаткам его относят эф­фект темнового дубления (поэтому срок хранения заготовок с нанесен­ным фоторезистом не должен превы­шать 3–6 ч), низкую кислото- и щелочеустойчивость, трудность автома­тизации процесса получения рисунка, трудоемкость приготовления фоторезиста, низкую чувствительность.

Улучшение свойств жидких фоторе­зистов (устранение дубления, повы­шение кислотостойкости) достигается в фоторезисте на основе циннамата. Светочувствительным компонентом фо­торезиста этого типа является поливинилциннамат (ПВЦ) – продукт взаи­модействия поливинилового спирта и хлорангидрида коричной кислоты. Разрешающая способность его при­мерно 500 лин/мм, проявление осуще­ствляется в органических растворите­лях – трихлорэтане, толуоле, хлор­бензоле. Для интенсификации про­цесса проявления и удаления фоторе­зиста ПВЦ используют ультразвуко­вые колебания. Диффузия в УЗ-поле сильно ускоряется за счет акустиче­ских микропотоков, а образующиеся кавитационные пузырьки при захло­пывании отрывают участки фоторези­ста от платы. Время проявления со­кращается до 10 с, т. е. в 5–8 раз по сравнению с обычной технологией. К недостаткам фоторезиста ПВЦ от­носятся его высокая стоимость, ис­пользование токсичных органических растворителей. Поэтому резисты ПВЦ не нашли широкого применения в изготовлении ПП, а используются глав­ным образом при изготовлении ИМС.

Фоторезисты на основе диазосоединений применяют в основном как по­зитивные. Светочувствительность диазосоединений обусловлена наличием в них групп, состоящих из двух атомов азота N 2 (рис. 2.7).

Рис.2.7. Молекулярные связи в структуре диазосоединений.

Сушка слоя фото­резиста проводится в две стадии:

– при температуре 20°С в течение 15–20 мин для испарения легколетучих компо­нентов;

– в термостате с циркуляцией воздуха при температуре 80 °С в те­чение 30–40 мин.

Проявителями яв­ляются растворы тринатрийфосфата, соды, слабых щелочей. Фоторезисты ФП-383, ФН-11 на основе диазосоединений имеют разрешающую способ­ность 350–400 лин/мм, высокую хи­мическую стойкость, однако стои­мость их высока.

Сухие пленочные фоторезисты марки Riston впервые разработаны в 1968 г. фирмой Du Pont (США) и имеют тол­щину 18 мкм (красный цвет), 45 мкм (голубой) и 72 мкм (рубиновый). Су­хой пленочный фоторезист марки СПФ-2 выпускается с 1975 г. толщи­ной 20, 40 и 60 мкм и представляет собой полимер на основе полиметилметакрилата 2 (рис.2.8), расположен­ный между полиэтиленовой 3 и лавса­новой / пленками толщиной 25 мкм каждая.

Рис.2.8. Структура сухого фоторезиста.

В СНГ выпускаются следующие типы сухих пленочных фоторезистов:

– проявляемые в органических веще­ствах – СПФ-2, СПФ-АС-1, СРФ-П;

– водно-щелочные – СПФ-ВЩ2, ТФПК;

– повышенной надежности – СПФ-ПНЩ;

– защитные – СПФ-З-ВЩ.

Перед накаткой на поверхность ос­нования ПП защитная пленка из по­лиэтилена удаляется и сухой фоторе­зист наносится на плату валиковым методом (плакирование, ламинирова­ние) при нагреве до 100°С со скоро­стью до 1 м/мин с помощью специ­ального устройства, называемого ла­минатором. Сухой резист полимеризуется под действием ультрафиолетового излучения, максимум его спектраль­ной чувствительности находится в об­ласти 350 нм, поэтому для экспониро­вания используют ртутные лампы. Проявление осуществляется в маши­нах струйного типа в растворах метилхлорида, диметилформамида.

СПФ-2 – сухой пленочный фоторе­зист, аналогичный по свойствам фото­резисту Riston, допускает обработку как в кислых, так и в щелочных сре­дах и используется при всех методах изготовления ДПП. При его примене­нии необходима герметизация обору­дования для проявления. СПФ-ВЩ обладает более высокой разрешающей способностью (100–150 линий/мм), стоек в кислой среде, обрабатывается в щелочных растворах. В состав фото­резиста ТФПК (в полимеризующую композицию) входит метакриловая ки­слота, улучшающая эксплуатационные характеристики. Для него не требуется термообработка защитного рельефа перед нанесением гальванопокрытия. СПФ-АС-1 позволяет получать рису­нок ПП как по субтрактивной, так и по аддитивной технологии, поскольку он стоек и в кислых, и в щелочных средах. Для улучшения адгезии свето­чувствительного слоя к медной под­ложке в состав композиции введен бензотриазол.

Применение сухого фоторезиста зна­чительно упрощает процесс изготовле­ния ПП, увеличивает процент выхода годных изделий с 60 до 90 %. При этом:

– исключаются операции сушки, дубления и ретуширования, а также за­грязнения, нестабильность слоев;

– обес­печивается защита металлизированных отверстий от затекания фоторезиста;

– достигается высокая автоматизация и механизация процесса изготовления ПП и контроля изображения.

Установка для нанесения сухого пленочного фоторезиста – ламинатор (рис.2.9) состоит из валиков 2, по­дающих плату 6 и прижимающих фо­торезист к поверхности заготовок, ва­ликов 3 и 4 для снятия защитной по­лиэтиленовой пленки, бобины с фоторезистом 5, нагревателя 1 с терморегу­лятором.

Рис.2.9. Схема ламинатора.

Скорость движения заготов­ки платы достигает 0,1 м/с, температу­ра нагревателя (105 ±5) °С. Конструкция установки АРСМ 3.289.006 НПО «Ратон» (Беларусь) обеспечивает постоянное усилие прижатия независи­мо от зазора, устанавливаемого между валиками-нагревателями. Максималь­ная ширина заготовки ПП 560 мм. Особенностью накатывания является опасность попадания пыли под слой фоторезиста, поэтому установка долж­на работать в гермозоне. Накатанная пленка фоторезиста выдерживается не менее 30 мин перед экспонированием для завершения усадочных процессов, которые могут вызвать искажение ри­сунка и уменьшить адгезию.

Проявление рисунка осуществляет­ся в результате химического и механи­ческого воздействия метилхлороформа. За оптимальное время проявления принимается время, в 1,5 раза боль­шее, чем необходимо для полного удаления незадубленного СПФ. Каче­ство операции проявления зависит от пяти факторов: времени проявления, температуры проявления, давления проявителя в камере, загрязнения про­яви геля, степени окончательной про­мывки. По мере накопления в прояви­теле растворенного фоторезиста ско­рость проявления замедляется. После проявления плату необходимо отмыть водой до полного удаления остатков растворителя. Продолжительность опе­рации проявления СПФ-2 при темпе­ратуре проявителя 14–18°С, давлении раствора в камерах 0,15МПа и скоро­сти движения конвейера 2,2 м/мин со­ставляет 40–42 с.

Удаление и проявление фоторезиста осуществляется в машинах струйного типа (ГГМЗ.254.001, АРСМЗ.249.000) в хлористом метилене. Это сильный растворитель, поэтому операция сня­тия фоторезиста должна выполняться быстро (за 20–30 с). В установках пре­дусматривается замкнутый цикл ис­пользования растворителей, после оро­шения плат растворители поступают в дистиллятор, а затем чистые раствори­тели переключаются на повторное ис­пользование.

Экспонирование фоторезиста пред­назначено для инициирования в нем фотохимических реакций и проводит­ся в установках, имеющих источники света (сканирующие или неподвиж­ные) и работающие в ультрафиолето­вой области. Для плотного прилега­ния фотошаблонов к заготовкам плат используют рамы, где создается раз­режение. Установка экспонирования СКЦИ.442152.0001 НПО «Ратон» при рабочем поле загрузочных рам 600×600 мм обеспечивает производитель­ность 15 плат/ч. Время экспозиции ртутной лампой ДРШ-1000 1–5 мин. После экспонирования для заверше­ния темновой фотохимической реак­ции необходима выдержка при ком­натной температуре в течение 30 мин перед удалением лавсановой защит­ной пленки.

Недостатки сухого фоторезиста – не­обходимость приложения механическо­го усилия при накатке, что недопусти­мо для ситалловых подложек, пробле­ма утилизации твердых и жидких от­ходов. На каждые 1000 м 2 материала образуется до 40 кг твердых и 21 кг жидких отходов, утилизация которых является экологической проблемой.

Для получения проводящего рисун­ка на изоляционном основании как сеткографическим, так и фотохимиче­ским способом необходимо применять фотошаблоны, представляющие собой графическое изображение рисунка в масштабе 1:1 на фотопластинках или фотопленке. Фотошаблоны выполня­ют в позитивном изображении при наращивании проводящих участков на лентах и в негативном изображении, когда проводящие участки получают травлением меди с пробельных мест.

Геометрическая точность и качество рисунка ПП обеспечиваются в первую очередь точностью и качеством фото­шаблона, который должен иметь:

– контрастное черно-белое изображе­ние элементов с четкими и ровными границами при оптической плотности черных полей не менее 2,5 ед., прозрачных участков не более 0,2 ед., измеренной на денситомере типа ДФЭ-10;

– минимальные дефекты изображения (темные точки на пробельных местах, прозрачные точки на черных полях), которые не превышают 10–30 мкм;

– точность элементов выполнения рисунка ±0,025 мм.

В большей степени перечисленным требованиям удовлетворяют сверхкон­трастные фотопластинки и пленки «Микрат-Н» (СССР), фотопластинки типа ФТ-41П (СССР), РТ-100 (Япо­ния) и Agfalit (Германия).

В настоящее время применяются два основных способа получения фо­тошаблонов: фотографирование их с фотооригиналов и вычерчивание све­товым лучом на фотопленке с помо­щью координатографов с программ­ным управлением либо лазерным лу­чом. При изготовлении фотооригина­лов рисунок ПП выполняют в увели­ченном масштабе (10:1, 4:1, 2:1) на малоусадочном материале путем вы­черчивания, изготовления аппликаций или резания по эмали. Способ аппли­кации предусматривает наклеивание заранее подготовленных стандартных элементов на прозрачную основу (лав­сан, стекло и др.). Первый способ ха­рактеризуется низкой точностью и большой трудоемкостью, поэтому используется в основном для макетных образцов плат.

Резание по эмали применяют для ПП с высокой плотностью монтажа. Для этого полированное листовое стекло покрывают непрозрачным сло­ем эмали, а вырезание рисунка схемы осуществляют на координатографе с ручным управлением. Точность полу­чения рисунка 0,03–0,05 мм.

Изготовленный фотооригинал фо­тографируют с необходимым умень­шением на высококонтрастную фотопластину с помощью фоторепродук­ционных полиграфических камер типа ПП-12, ЭМ-513, Klimsch (Германия) и получают фотошаблоны, которые могут быть контрольными и рабочи­ми. Для тиражирования и изготовле­ния рабочих, одиночных, а также групповых фотошаблонов применяют метод контактной печати с негатив­ной копии контрольного фотошабло­на. Операция выполняется на мульти­пликаторе модели АРСМ 3.843.000 с точностью ±0,02 мм.

Недостатки такого метода – боль­шая трудоемкость получения фото­оригинала, требующего высококвали­фицированного труда, и трудность равномерного освещения фотоориги­налов значительной площади, что снижает качество фотошаблонов.

Возрастающая сложность и плот­ность рисунка ПП, необходимость увеличения производительности труда привели к разработке метода изготов­ления фотошаблонов сканирующим лучом непосредственно на фотоплен­ке. Для изготовления фотошаблона световым лучом разработаны коорди­натографы с программным управлени­ем. С переходом на машинное проек­тирование плат необходимость вычер­чивания чертежа отпадает, так как по­лученная с ЭВМ перфолента с коор­динатами проводников вводится в считывающее устройство координато­графа, на котором автоматически вы­полняется фотошаблон.

Координатограф (рис. 2.10) состоит из вакуумного стола 8, на котором за­крепляют фотопленку, фотоголовки и блока управления /. Стол перемеща­ется с высокой точностью в двух вза­имно перпендикулярных направлени­ях с помощью прецизионных ходовых винтов 9 и 3, которые приводятся во вращение шаговыми двигателями 2 и 10. Фотоголовка включает осветитель 4, фокусирующую систему 5, круговую диафрагму 6 и фотозатвор 7. Диа­фрагма имеет набор отверстий (25– 70), оформляющих определенный эле­мент рисунка ПП, и закрепляется на валу шагового двигателя. В соответст­вии с программой работы сигналы от блока управления подаются на шаго­вые двигатели привода стола, диа­фрагмы и на осветитель. Современные координатографы (табл. 5.4) снабжа­ются системами автоматического под­держания постоянного светового ре­жима, вывода из ЭВМ информации о фотошаблонах на пленку в масштабах 1:2; 1:1; 2:1; 4:1.

Рис. 5.10. Схема координатографа.

Что представляет из себя печатная плат а ?

Печатная плат а или плат а , представляет собой пластину или панель состоящее из одного или двух проводящих рисунков, расположенных на поверхности диэлектрического основания, или из системы проводящих рисунков, расположенных в объеме и на поверхности диэлектрического основания, соединенных между собой в соответствии с принципиальной электрической схемой, предназначенное для электрического соединения и механического крепления устанавливаемых на нем изделий электронной техники, квантовой электроники и электротехнических изделий - пассивных и активных электронных компонентов.

Самый простой печатной плат ой является плат а , которая содержит медные проводники на одной из сторон печатной плат ы и связывает элементы проводящего рисунка только на одной из ее поверхностей. Такие плат ы известны как однослойные печатной плат ы или односторонние печатные плат ы (сокращенно - ОПП ).

На сегодняшний день, самые популярные в производстве и наиболее распространенные печатные плат ы , которые содержат два слоя, то есть, содержащие проводящий рисунок с обеих сторон плат ы – двухсторонни (двухслойные) печатные плат ы (сокращённо ДПП ). Для соединения проводников между слоями используются сквозные монтаж ные и переходные металлизированные отверстия. Тем не менее, в зависимости от физической сложности конструкции печатной плат ы , когда разводка проводников на двусторонней плат е становится слишком сложной, на производстве заказ ывается многослойные печатные плат ы (сокращённо МПП ), где проводящий рисунок формируется не только на двух внешних сторонах плат ы , но и во внутренних слоях диэлектрика. В зависимости от сложности, многослойные печатные плат ы могут быть изготовлены из 4,6, ….24 или более слоев.

Для монтаж а электронных компонентов на печатные плат ы , необходима технологическая операция - пайка, применяемая для получения неразъёмного соединения деталей из различных металлов путём введения между контактами деталей расплавленного металла - припоя, имеющего более низкую температуру плавления, чем материалы соединяемых деталей. Спаиваемые контакты деталей, а также припой и флюс вводятся в соприкосновение и подвергаются нагреву с температурой выше температуры плавления припоя, но ниже температуры плавления спаиваемых деталей. В результате, припой переходит в жидкое состояние и смачивает поверхности деталей. После этого нагрев прекращается, и припой переходит в твёрдую фазу, образуя соединение. Этот процесс можно сделать вручную или с помощью специализированной техники.

Перед пайкой, компоненты размещаются на печатной плат е выводами компонентов в сквозные отверстия плат ы и припаиваются к контактным площадкам и/или металлизированной внутренней поверхности отверстия – т.н. технология монтаж а в отверстия (THT Through Hole Technology - технология монтаж а в отверстия или др. словами - штыревой монтаж или DIP-монтаж ). Так же, все большее распространение, в особенности, в массовом и крупносерийном производстве, получила более прогрессивная технология поверхностного монтаж а - также называемая ТМП (технология монтаж а на поверхность) или SMT (surface mount technology) или SMD-технология (от surface mount device – прибор, монтируемый на поверхность). Основным ее отличием от «традиционной» технологии монтаж а в отверстия является то, что компоненты монтируются и паяются на контактные площадки (англ. land), являющиеся частью проводящего рисунка на поверхности печатной плат ы . В технологии поверхностного монтаж а , как правило, применяются два метода пайки: пайка оплавлением припойной пасты и пайка волной. Основное преимущество метода пайки волной – возможность одновременной пайки компонентов, монтируемых как на поверхность плат ы , так и в отверстия. При этом пайка волной является самым производительным методом пайки при монтаж е в отверстия. Пайка оплавлением основана на применении специального технологического материала – паяльной пасты. Она содержит три основных составляющих: припой, флюс (активаторы) и органические наполнители. Паяльная паста наносится на контактные площадки либо с помощью дозатора, либо через трафарет , затем устанавливаются электронные компоненты выводами на паяльную пасту и далее, процесс оплавления припоя, содержащегося в паяльной пасте, выполняется в специальных печах путем нагрева печатной плат ы с компонентами.

Для избежания и/или предотвращения случайного короткого замыкания проводников из разных цепей в процессе пайки, производители печатных плат применяют защитную паяльную маску (англ. solder mask; она же «зеленка») – слой прочного полимерного материала, предназначенного для защиты проводников от попадания припоя и флюса при пайке, а также от перегрева. Паяльная маска закрывает проводники и оставляет открытыми контактные площадки и ножевые разъемы. Наиболее распространенные цвета паяльной маски, используемые в печатных плат а х - зеленый, затем красный и синий. Следует иметь в виду, что паяльная маска не защищает плат у от влаги в процессе эксплуатации плат ы и для влагозащиты используются специальные органические покрытия.

В наиболее популярных программах систем автоматизированного проектирования печатных плат и электронных приборов (сокращённо САПР - CAM350, P-CAD, Protel DXP, SPECCTRA, OrCAD, Allegro , Expedition PCB, Genesis), как правило, существуют правила, связанные с паяльной маской. Эти правила определяют расстояние/отступ, которое необходимо соблюсти, между краем паяемой площадки и границей паяльной маски. Эта концепция иллюстрируется на рисунке 2 (а).

Шелкография или маркировка.

Маркировка (англ. Silkscreen, legend) является процессом, в котором производитель наносит информацию о электронных компонентах и которая способствует облегчить процесс сборки, проверки и ремонта. Как правило, маркировка наносится для обозначения контрольных точек, а также положения, ориентации и номинала электронных компонентов. Также она может быть использована для любых целей конструктора печатных плат , например, указать название компании, инструкцию по настройке (это широко используется в старых материнских плат а х персональных компьютеров) и др. Маркировку можно наносить на обе стороны плат ы и ее, как правило, наносят методом сеткографии(шелкография) специальной краской (с термическим или УФ отверждением) белого, желтого или черного цвета. На рисунке 2 (b) показаны обозначение и область расположения компонентов, выполненные маркировкой белого цвета.

Структура слоев в САПР

Как уже отмечалось в начале этой статьи, печатные плат ы могут быть сделаны из нескольких слоев. Когда печатная плат а разработана с помощью САПР, часто можно увидеть в структуре печатной плат ы несколько слоев, которые не соответствуют необходимым слоям с разводкой из проводящего материала (меди). Например, слои с маркировкой и паяльной маской являются непроводящими слоями. Наличие проводящих и непроводящих слоев может привести к путанице, так как производители используют термин слой, когда они имеют в виду только токопроводящие слои. С этого момента, мы будем использовать термин «слои» без «САПР», только когда речь идет о проводящих слоях. Если мы используем термин «слои САПР» мы имеем в виду все виды слоев, то есть проводящие и непроводящие слои.

Структура слоев в САПР:

На рисунке 3. показаны три различных структур слоев. Оранжевый цвет подчеркивает проводящие слои в каждой структуре. Высота структуры или толщина печатной плат ы может варьироваться в зависимости от назначения, однако наиболее часто используется толщина 1,5мм.

Типы корпусов электронных компонентов

Сегодня на рынке присутствует большое разнообразие типов корпусов электронных компонентов. Обычно, для одного пассивного или активного элемента существует несколько типов корпусов. Например, вы можете найти одну и ту же микросхему и в корпусе QFP (от англ. Quad Flat Package - семейство корпусов микросхем, имеющих планарные выводы, расположенные по всем четырём сторонам) и в корпусе LCC (от англ. Leadless Chip Carrier - представляет собой низкопрофильный квадратный керамический корпус с расположенными на его нижней части контактами).

В основном существует 3 больших семейств электронных корпусов:

Контактная площадка печатной плат ы (англ. land)

Контактная площадка печатной плат ы - часть проводящего рисунка печатной плат ы , используемая для электрического подсоединения устанавливаемых изделий электронной техники. Контактная площадка печатной плат ы представляет собой открытые от паяльной маски части медного проводника, куда и припаиваются выводы компонентов. Есть два типа площадок – контактные площадки монтаж ных отверстий для монтаж а в отверстия и планарные площадки для поверхностного монтаж а - SMD площадки. Иногда, SMD площадки с переходным отверстием очень похожи на площадки для монтаж а в отверстия.

На рисунке 4 представлены контактные площадки для 4х разных электронных компонентов. Восемь для IC1 и две для R1 SMD площадки, соответственно, а так же три площадки с отверстиями для Q1 и PW электронных компонентов.

Медные проводники

Медные проводники используется для подключения двух точек на печатной плат е -например, для подключения между двумя SMD площадками (рисунок 5.), или для подключения SMD площадки к площадке монтаж ного отверстия или для соединения двух переходных отверстия.

Проводники могут иметь разную, рассчитанную ширину в зависимости от токов, протекающих через них. Так же, на высоких частотах, необходимо рассчитывать ширину проводников и зазоры между ними, так как сопротивление, емкость и индуктивность системы проводников зависит от их длинны, ширины и их взаимного расположения.

Сквозные металлизированные переходные отверстие печатной плат ы

Когда надо соединить компонент, который находится на верхнем слое печатной плат ы с компонентом, который находится на нижнем слое, применяются сквозные металлизированные переходные отверстия, которые соединяют элементы проводящего рисунка на разных слоях печатной плат ы . Эти отверстия, позволяют току проходить сквозь печатную плат у. На рисунке 6 показаны два проводника, которые начинаются на площадках компонентов на верхнем слое и заканчивается на площадках другого компонента на нижнем слое. Для каждого проводника установлено свое переходное отверстие, проводящее ток из верхнего слоя на нижний слой.

Рисунок 6. Соединение двух микросхем через проводники и переходные металлизированные отверстия на разных сторонах печатной плат ы

На рисунке 7 более детально дано представление о поперечном сечении 4-слойных печатных плат . Здесь цветами обозначены следующие слои:

На модели печатной плат ы , на рисунке 7 показан проводник (красный), который принадлежит к верхнему проводящему слою, и который проходит сквозь плат у с помощью сквозного переходного отверстия, а затем продолжает свой путь по нижнему слою(синий).

Рисунок 7. Проводник из верхнего слоя, проходящий через печатную плат у и продолжающий свой путь на нижнем слое.

«Глухое» металлизированное отверстие печатной плат ы

В HDI (High Density Interconnect - высокая плотность соединений) печатных плат а х, необходимо использовать более чем два слоя, как это показано на рисунке 7. Как правило, в многослойных конструкциях печатной плат ы , на которых устанавливаются много интегральных микросхем, используются отдельные слои для питания и земли (Vcc или GND), и таким образом, наружные сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников. Также бывают случаи, что сигнальные проводники должны переходить от внешнего слоя (сверху или снизу) по наименьшему пути, что бы обеспечить необходимое волновое сопротивление, требования по гальванической развязке и заканчивая требованиями на устойчивость к электростатическому разряду. Для таких видов соединений используются глухие металлизированные отверстие (Blind via - «глухие» или «слепые»). Имеются в виду отверстия, соединяющие наружный слой с одним или несколькими внутренними, что позволяет сделать подключение минимальным по высоте. Глухое отверстие начинается на внешнем слое и заканчивается на внутреннем слое, поэтому оно имеет префикс «глухое».

Чтобы узнать, какое отверстие присутствует на плат е, вы можете поместить печатную плат у над источником света и посмотреть - если вы видите свет, идущий от источника через отверстие, то это переходное отверстие, в противном случае глухое.

Глухие переходные отверстия полезно использовать в конструкции плат ы , когда вы ограничены в размерах и имеете слишком мало места для размещения компонентов и разводки сигнальных проводников. Вы можете разместить электронные компоненты с обеих сторон и максимально увеличить пространство под разводку и другие компоненты. Если переходы сделаны через сквозные отверстие, а не глухие, понадобиться дополнительное пространство для отверстий т.к. отверстие занимает место с обеих сторон. В то же время глухие отверстия могут находиться под корпусом микросхемы – например для разводки больших и сложных BGA компонентов.

На рисунке 8 показаны три отверстия, которые являются частью четырехслойной печатной плат ы . Если смотреть слева направо, то первое мы увидим сквозное отверстие через все слои. Второе отверстие начинается в верхнем слое и заканчивается на втором внутреннем слое - глухое переходное отверстия L1-L2. Наконец, третье отверстие, начинается в нижнем слое и заканчивается в третьем слое, поэтому мы говорим, что это глухое переходное отверстия L3-L4.

Основным недостатком этого типа отверстия, является более высокая цена изготовления печатной плат ы с глухими отверстиями, по сравнению с альтернативными сквозными отверстиями.

Скрытые переходные отверстия

Англ. Buried via - «скрытые», «погребенные», «встроенные». Эти переходные отверстия похожи на глухие, с той разницей, что они начинаются и заканчиваются на внутренних слоях. Если мы посмотрим на рисунок 9 слева направо, мы увидим, что первое отверстие сквозное через все слои. Второе представляет собой глухое переходное отверстия L1-L2, а последнее является, скрытое переходное отверстие L2-L3, которое начинается на втором слое и заканчивается на третьем слое.

Рисунок 9. Сравнение переходного сквозного отверстие, глухого отверстия и скрытого отверстия.

Технология изготовления глухих и скрытых переходных отверстий

Технология изготовления таких отверстий может быть различной, в зависимости от той конструкции, которую заложил разработчик, и в зависимости от возможностей завод а-изготовителя. Мы будем выделять два основных вида:

Отверстие сверлится в двусторонней заготовке ДПП , металлизируется, травиться и затем эта заготовка, по сути готовая двухслойная печатная плат а , прессуется через препрег в составе многослойной заготовки печатной плат ы . Если эта заготовка находиться сверху «пирога» МПП , то мы получаем глухие отверстия, если в середине, то - скрытые переходные отверстия.

1. Отверстие сверлится в спрессованной заготовке МПП , глубина сверления контролируется, что бы точно попасть в площадки внутренних слоев, и затем происходит металлизация отверстия. Таким образом мы получаем только глухие отверстия.

В сложных конструкциях МПП могут применяться комбинации вышеперечисленных видов отверстий – рисунок 10.

Рисунок 10. Пример типовой комбинации видов переходных отверстий.

Заметим, что применение глухих отверстий иногда может привести к удешевлению проекта в целом, за счет экономии на общем количестве слоев, лучшей трассируемости, уменьшения размера печатной плат ы , а также возможности применить компоненты с более мелким шагом. Однако в каждом конкретном случае решение об их применении следует принимать индивидуально и обоснованно. Однако не следует злоупотреблять сложностью и многообразием видов глухих и скрытых отверстий. Опыт показывает, что при выборе между добавлением в проект еще одного вида несквозных отверстий и добавлением еще одной пары слоев правильнее будет добавить пару слоев. В любом случае, конструкция МПП должна быть спроектирована с учетом того, как именно она будет реализована в производстве.

Финишные металлические защитные покрытия

Получение правильных и надежных паяных соединений в электронном оборудовании зависит от многих конструктивных и технологических факторов, включая должный уровень паяемости соединяемых элементов, таких как компоненты и печатные проводники. Для сохранения паяемости печатных плат до монтаж а электронных компонентов, обеспечения плоскостности покрытия и для надежного монтаж а паяных соединений необходимо защищать медную поверхность контактных площадок печатной плат ы от окисления, так называемым финишным металлическим защитным покрытием.

При взгляде на разные печатные плат ы , можно заметить, что контактные площадки почти не когда не имеют цвет меди, зачастую и в основном это серебристые цвета, блестящий золотой или матовый серый. Эти цвета и определяют типы финишных металлических защитных покрытий.

Наиболее распространенным методом защиты паяемых поверхностей печатных плат является покрытие медных контактных площадок слоем серебристого сплава олово-свинеца (ПОС-63) - HASL. Большинство изготавливаемых печатных плат защищены методом HASL. Горячее лужение HASL - процесс горячего облуживания плат ы , методом погружения на ограниченное время в ванну с расплавленным припоем и при быстрой выемке обдувкой струей горячего воздуха, убирающей излишки припоя и выравнивающей покрытие. Это покрытие доминирует в течение нескольких последних лет, несмотря на его серьезные технические ограничения. Плат ы , выпущенные таким способом, хотя и хорошо сохраняют паяемость в течение всего периода хранения, непригодны для некоторых применений. Высокоинтегрированные элементы, используемые в SMT технологиях монтаж а , требуют идеальной планарности (плоскостности) контактных площадок печатных плат . Традиционные покрытия HASL не соответствуют требованиям планарности.

Технологии нанесения покрытий, соответствующие требованиям планарности, это наносимое химическими методами покрытия:

Иммерсионное золочение (Electroless Nickel / Immersion Gold - ENIG), представляющее собой тонкую золотую пленку, наносимую поверх подслоя никеля. Функция золота - обеспечивать хорошую паяемость и защищать никель от окисления, а сам никель служит барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди. Это покрытие гарантирует превосходную планарность контактных площадок без повреждения печатных плат , обеспечивает достаточную прочность паяных соединений, выполненных припоями на основе олова. Их главный недостаток - высокая себестоимость производства.

Иммерсионное олово (Immersion Tin - ISn) – серое матовое химическое покрытие, обеспечивающее высокую плоскостность печатных площадок плат ы и совместимое со всеми способами пайки, нежели ENIG. Процесс нанесения иммерсионного олова, схож с процессом нанесения иммерсионного золота. Иммерсионное олово обеспечивает хорошую паяемость после длительного хранения, которое обеспечивается введением подслоя органометалла в качестве барьера между медью контактных площадок и непосредственно оловом. Однако, плат ы , покрытые иммерсионным оловом, требуют осторожного обращения, должны хранится в вакуумной упаковке в шкафах сухого хранения и плат ы с этим покрытием не пригодны для производства клавиатур/сенсорных панелей.

При эксплуатации компьютеров, устройств с ножевыми разъемами, контакты ножевых разъемов, подвергаются трению при эксплуатации плат ы , поэтому, концевые контакты, гальваническим способом покрывают более толстым и более жестким слоем золота. Гальваническое золочение ножевых разъёмов (Gold Fingers) - покрытие семейства Ni/Au, толщина покрытия: 5 -6 Ni; 1,5 – 3 мкм Au. Покрытие наносится электрохимическим осаждением (гальваника) и используется в основном для нанесения на концевые контакты и ламели. Толстое, золотое покрытие имеет высокую механическую прочность, стойкость к истиранию и неблагоприятному воздействию окружающей среды. Незаменимо там, где важно обеспечить надежный и долговечный электрический контакт.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Электронная печатная плата – изготовление

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

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

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

Изготавливаются три вида электронных печатных плат:

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

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

Материал изготовления подложки

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

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

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

Выполнение операций на обвязку

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

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

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

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

Дизайн электронных печатных плат

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

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

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

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

Промышленное изготовление печатных плат электроники

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

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

Изготовление основания

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

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

Сверление и лужение отверстий

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

Производство рисунка схемы печатной электронной платы

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

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

Как проходит аддитивный процесс?

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

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

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

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

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

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

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

Техника промышленного изготовления электронных плат

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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