Материалы используемые для изготовления печатных плат. Делаем печатную плату. Означает ли что-нибудь цвет логотипа

Продолжительность: 2 часа (90 мин.)

25.1 Основные вопросы

Материалы оснований ПП;

Материалы для создания элементов печатного рисунка;

Технологические материалы для изготовления ПП.

25.2 Текст лекции

25.2.1 Базовые м атериалы оснований ПП – до 40 мин

К базовым материалам печатных плат относятся:

фольгированные (с одной или с двух сторон) и нефольгированные диэлектрики (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, стеклоткань, лавсан, полиимид, фторопласт и др.), керамические материалы и металлические (с поверхностным диэлектрическим слоем) пластины, из которых изготавливают основания печатных плат;

изоляционный прокладочный материал (склеивающие прокладки – препреги), используемый для склеивания слоев МПП.

Для защиты поверхности ПП от внешних воздействий применяют полимерные защитные лаки и покрывные защитные пленки.

При выборе материала основания ПП необходимо обратить внимание на следующее: предполагаемые механические воздействия (вибрации, удары, линейное ускорение и т. п.); класс точности ПП (расстояние между проводниками); реализуемые электрические функции; быстродействие; условия эксплуатации; стоимость.

Материал основания должен хорошо сцепляться с металлом проводников, обладать высокой механической прочностью, сохранять свои свойства при воздействии климатических факторов, иметь близкий коэффициент теплового расширения по сравнению с металлом проводников.

Выбор материала определяется:

электроизоляционными свойствами;

механической прочностью;

стабильностью параметров при воздействии агрессивных сред и изменяющихся условий;

обрабатываемостью;

себестоимостью.

Фольгированные диэлектрики выпускаются с проводящим покрытием из медной (реже никелевой или алюминиевой) электролитической фольги толщиной от 5 до 105 мкм. Для улучшения прочности сцепления фольга с одной стороны покрыта слоем хрома толщиной 1…3 мкм. Фольга характеризуется чистотой состава (примесей не более 0,05%), пластичностью. Фольгирование осуществляют прессованием при температуре 160…180 0 С и давлении 5…15 МПа.

Нефольгированные диэлектрики выпускают двух типов:

с адгезионным (клеевым) слоем толщиной 50…100 мкм, (например, эпоксикаучуковой композиции), который наносят для повышения прочности сцепления осаждаемой в процессе изготовления ПП химической меди;

с введенным в объем диэлектрика катализатором, способствующим осаждению химической меди.

В качестве диэлектрического основания жестких ПП используются слоистые пластики, состоящие из наполнителя (электроизоляционной бумаги, ткани, стеклоткани) и связующего вещества (фенольной или фенолоэпоксидной смолы). К слоистым пластикам относятся гетинакс, текстолит и стеклотекстолит.

Гетинакс изготовляется на основе бумаги, применяется при нормальных климатических условиях эксплуатации для бытовой аппаратуры. Обладает низкой стоимостью, хорошей обрабатываемостью, высоким водопоглощением.

Текстолит изготовляют на основе хлопчатобумажной ткани.

Стеклотекстолиты изготовляют на основе стеклоткани. По сравнению с гетинаксами, стеклотекстолиты имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, меньшее влагопоглощение. Однако у них есть ряд недостатков: худшая механическая обрабатываемость; более высокая стоимость; существенное различие (примерно в 30 раз) коэффициента теплового расширения меди и стеклотекстолита в направлении толщины материала, что может привести к разрыву металлизации в отверстиях при пайке или в процессе эксплуатации.

Для изготовления ПП, эксплуатируемых в условиях повышенной опасности возгорания, применяют огнестойкие гетинаксы и стеклотекстолиты. Повышение огнестойкости диэлектриков достигается путем введения в их состав антипиренов.

Введение в лак, пропитывающий стеклоткань, 0,1…0,2% палладия или закиси меди повышает качество металлизации, но незначительно снижает сопротивление изоляции.

Для изготовления ПП, обеспечивающих надежную передачу наносекундных импульсов, необходимо применять материалы с улучшенными диэлектрическими свойствами (уменьшенным значением диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь). Поэтому к перспективным относится применение оснований из органических материалов с относительной диэлектрической проницаемостью ниже 3,5. В качестве основы для ПП СВЧ-диапазона используют неполярные полимеры (фторопласт, полиэтилен, полипропилен).

Для изготовления ГПП и ГПК, выдерживающих многократные изгибы, применяют диэлектрики на основе полиэфирной пленки (лавсан или полиэтилентерефталат), фторопласт, полиимид и т.п.

Изоляционный прокладочный материал (препреги) изготавливают из стеклоткани, пропитанной недополимеризованной термореактивной эпоксидной смолой (или другими смолами); из полиимида с нанесенным с двух сторон адгезионным покрытием и других материалов.

В качестве материала основания ПП может использоваться керамика.

Достоинством керамических ПП является лучший теплоотвод от активных элементов, высокая механическая прочность, стабильность электрических и геометрических параметров, снижение уровня помех, низкое водопоглощение и газовыделение.

Недостаток керамических плат – хрупкость, большая масса и малые габариты (до 150х150 мм), длительный цикл изготовления и большая усадка материала, высокая стоимость.

ПП на металлическом основании используют в изделиях с большой токовой нагрузкой, при повышенных температурах. В качестве материала основания используют алюминий, титан, сталь, медь, сплав железа с никелем. Для получения изолирующего слоя на металлическом основании используются специальные эмали, керамика, эпоксидные смолы, полимерные пленки и т.п., изолирующий слой на алюминиевом основании могут получать анодным оксидированием.

Недостаток металлических эмалированных плат – высокая диэлектрическая постоянная эмали, что исключает их использование в высокочастотной аппаратуре.

Металлическую основу ПП часто используют в качестве шин питания и земли, в качестве экрана.

25.2.2 Материалы элементов печатного рисунка – до 35 мин

В качестве материала элементов печатного рисунка (проводников, контактных площадок, концевых контактов и пр.) применяют металлические покрытия. Для создания основного токоведущего слоя чаще всего используется медь. В керамических ПП используется графит.

Используемые для создания металлических покрытий материалы представлены в таблице 25.1.

Таблица 25.1 – Металлические покрытия, используемые при создании элементов печатного рисунка

25.2.3 Технологические (расходные) м атериалы для изготовления ПП – до 15 мин

К технологическим материалам для изготовления ПП относятся фоторезисты, специальные трафаретные краски, защитные маски, электролиты меднения, травления и пр.

Требования к расходным материалам определяются конструкцией ПП и технологическим процессом изготовления.

Фоторезисты должны обеспечивать необходимую разрешающую способность при получении рисунка схемы и соответствующую химическую стойкость. Фоторезисты могут быть жидкие и сухие пленочные (СПФ).

Применяют фоторезисты негативные и позитивные. При использовании негативных фоторезистов экспонированные области заготовки ПП остаются на плате, а неэкспонированные вымываются при проявлении. В случае использования позитивных фоторезисторов экспонированные участки вымываются при проявлении.

Травильные растворы должны быть совместимы с применяемым при травлении резистом, быть нейтральны к изоляционным материалам, иметь высокую скорость травления. В качестве травящего электролита широко применяют кислые и щелочные растворы хлорной меди, растворы на основе хлорного железа, растворы на основе персульфата аммония, железо-медно-хлоридные растворы.

Все материалы должны быть экономичны и безопасны для окружающей среды.

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

В качестве основания используют фольгированные и нефольгированные диэлектрики (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, стеклоткань, лавсан, полиамид, фторопласт и др.), керамические материалы, металлические пластины, изоляционный прокладочный материал (препрег).

Фольгированные диэлектрики представляют собой электроизоляционные основания, плакированные обычно электролитической медной фольгой с оксидированным гальваностойким слоем, прилегающим к электроизоляционному основанию. В зависимости от назначения фольгированные диэлектрики могут быть односторонними и двусторонними и иметь толщину от 0,06 до 3,0 мм.

Нефольгированные диэлектрики, предназначенные для полуаддитивного и аддитивного методов производства плат, имеют на поверхности специально нанесенный адгезивный слой, который служит для лучшего сцепления химически осаждаемой меди с диэлектриком.

Основания ПП изготовляются из материала, способного хорошо сцепляться с металлом проводников; иметь диэлектрическую проницаемость не более 7 и малый тангенс угла диэлектрических потерь; обладать достаточно высокой механической и электрической прочностью; допускать возможность обработки резанием, штамповкой и сверлением без образования сколов, трещин и расслоения диэлектрика; сохранять свои свойства при воздействии климатических факторов, обладать негорючестью и огнестойкостью; обладать низким водопоглощением, низким значением теплового коэффициента линейного расширения, плоскостностью, а также устойчивостью к агрессивным средам в процессе создания рисунка схемы и пайки.

Материалы основания - это слоистые прессованные пластины, пропитанные искусственной смолой и возможно облицованные с одной или двух сторон медной электролитической фольгой. Фольгированные диэлектрики применяются в субтрактивных методах изготовления ПП, нефольгированные - в аддитивных и полуаддитивных. Толщина токопроводящего слоя может быть 5, 9, 12, 18, 35, 50, 70 и 100 мкм.

В производстве применяют материалы, например, для ОПП и ДПП - стеклотекстолит фольгированный марок СФ-1-50 и СФ-2-50 с толщиной медной фольги 50 мкм и собственной толщиной от 0,5 до 3.0 мм; для МПП - фольгированный травящийся стеклотекстолит ФТС-1-18А и ФТС-2-18А с толщиной медной фольги 18 мкм и собственной толщиной от 0,1 до 0,5 мм; для ГПП и ГПК - фольгированный лавсан ЛФ-1 с толщиной медной фольги 35 или 50 мкм и собственной толщиной от 0,05 до 0,1 мм.

По сравнению с гетинаксами стеклотекстолиты имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, меньшее влагопоглощение. Однако у них есть ряд недостатков, например, невысокая нагревостойкость по сравнению с полиамидами, что способствует загрязнению смолой торцов внутренних слоев при сверлении отверстий.

Для изготовления ПП, обеспечивающих надежную передачу наносекундных импульсов, необходимо применять материалы с улучшенными диэлектрическими свойствами, к ним относят ПП из органических материалов с относительной диэлектрической проницаемостью ниже 3,5.

Для изготовления ПП, эксплуатируемых в условиях повышенной опасности возгорания, применяют огнестойкие материалы, например, стектотекстолиты марок СОНФ, СТНФ, СФВН, СТФ.

Для изготовления ГПК, выдерживающих многократные изгибы на 90 в обе стороны от исходного положения с радиусом 3 мм, применяют фольгированный лавсан и фторопласт. Материалы с толщиной фольги 5 мкм позволяют изготовить ПП 4-го и 5-го классов точности.

Изоляционный прокладочный материал применяют для склеивания слоев ПП. Их изготавливают из стеклоткани, пропитанной недополимеризированной термореактивной эпоксидной смолой с нанесенным с двух сторон адгезионным покрытием.

Для защиты поверхности ПП и ГПК от внешних воздействий применяют полимерные защитные лаки и покрывные защитные пленки.

Керамические материалы характеризуются стабильностью электрических и геометрических параметров; стабильной высокой механической прочностью в широком диапазоне температур; высокой теплопроводностью; низким влагопоглощением. Недостатками являются длительный цикл изготовления, большая усадка материала, хрупкость, высокая стоимость и др.

Металлические основания применяются в теплонагруженных ПП для улучшения отвода тепла от ИМС и ЭРЭ в ЭА с большой токовой нагрузкой, работающих при высоких температурах, а также для повышения жесткости ПП, выполненных на тонких основаниях; их изготавливают из алюминия, титана, стали и меди.

Для печатных плат с высокой плотностью монтажа и с микропереходами применяют материалы, пригодные для обработки лазером. Эти материалы можно разделить на две группы:

1. Упрочненные нетканые стекломатериалы и преприги (композиционный материал на основе тканей, бумаги, непрерывных волокон, пропитанный смолой в неотвержденном состоянии) с заданной геометрией и распределением нити; органические материалы с неориентированным расположением волокон Преприг для лазерной технологии имеет меньшую толщину стеклоткани по оси Z по сравнению со стандартной стеклотканью.

2. Неупрочненные материалы (медная фольга покрытая смолой, полимеризованная смола), жидкие диэлектрики и диэлектрики с нанесенной сухой пленкой.

Из других материалов, используемых при изготовлении печатных плат, наиболее широко применяют никель и серебро в качестве металлического резиста, для обеспечения пайки, сварки. Кроме того, используется целый ряд других металлов и сплавов (например, олово - висмут, олово - индий, олово - никель и т.д.), назначение которых - обеспечение избирательной защиты или низкого контактного сопротивления, улучшение режимов пайки. Дополнительные покрытия, увеличивающие электропроводность печатных проводников, в большинстве случаев выполняют гальваническим осаждением, реже - способами вакуумной металлизации и горячего лужения.

До недавнего времени фольгированные диэлектрики на основе эпоксидно-фенольных смол, а также применяемые в ряде случаев диэлектрики на основе полиимидных смол удовлетворяли основным требованиям изготовителей печатных плат. Необходимость улучшения теплоотвода от ИМС и БИС, требования низкой диэлектрической проницаемости материала платы для быстродействующих схем, важность согласования коэффициентов термического расширения материала платы, корпусов ИМС и кристаллоносителей, широкое внедрение современных методов монтажа привели к необходимости разработки новых материалов. Широкое применение в современных конструкциях технических средств ЭВМ находят МПП на основе керамики. Применение керамических подложек для изготовления печатных плат обусловлено прежде всего использованием высокотемпературных способов создания проводящего рисунка с минимальной шириной линий, однако используются и другие преимущества керамики (хорошая теплопроводность, согласование по коэффициенту термического расширения с корпусами ИМС и носителями и т.п.). При изготовлении керамических МПП наиболее широко используется толстопленочная технология.

В керамических основаниях в качестве исходных материалов широко применяются оксиды алюминия и бериллия, а также нитрид алюминия и карбид кремния.

Основным недостатком керамических плат является ограниченность их размеров (обычно не более 150x150 мм), что обусловлено в основном хрупкостью керамики, а также сложностью достижения необходимого качества.

Формирование проводящего рисунка (проводников) осуществляется трафаретной печатью. В качестве материалов проводников в керамических платах подложечного вида используются пасты, состоящие из металлических порошков, органического связующего вещества и стекла. Для проводниковых паст, которые должны обладать хорошей адгезией, способностью выдерживать многократную термообработку, низким удельным электрическим сопротивлением, применяются порошки благородных металлов: платины, золота, серебра. Экономические факторы заставляют применять также пасты на основе композиций: палладий - золото, платина - серебро, палладий - серебро и др.

Изоляционные пасты изготавливаются на основе кристаллизующихся стекол, стеклокристаллических цементов, стеклокерамики. В качестве материалов проводников в керамических платах пакетного вида используются пасты, изготовленные на основе порошков тугоплавких металлов: вольфрама, молибдена и др. В качестве основания заготовки и изоляторов применяются ленты из сыров керамики на основе оксидов алюминия и бериллия, карбида кремния, нитрида алюминия.

Металлические жесткие основания, покрытые диэлектриком, характеризуются (как и керамические) высокотемпературным вжиганием в подложку толстопленочных паст на основе стекол и эмалей. Особенности плат на металлическом основании - повышенная теплопроводность, конструкционная прочность и ограничения по быстродействию из-за сильной связи проводников с металлическим основанием.

Широкое применение находят пластины из стали, меди, титана, покрытые смолой или легкоплавким стеклом. Однако наиболее совершенным по комплексу показаний является анодированный алюминий и его сплавы с достаточно толстым слоем оксида. Анодированный алюминий применяется также для тонкопленочной многослойной разводки плат.

Перспективно применение в печатных платах оснований со сложной составной структурой, включая металлические прокладки, а также оснований из термопластиков.

Основания из фторопласта со стекловолокном используются в быстродействующих схемах. Различные композиционные основания из "кевлара и кварца" а также медь - инвар - медь используются в тех случаях, когда необходимо иметь термический коэффициент расширения, близкий к коэффициенту расширения оксида алюминия, например в случае монтажа на плату различных керамических кристаллоносителей (микрокорпусов). Сложные подложки на основе полиимида используются главным образом в мощных схемах или при высокотемпературных применениях печатных плат.

Для изготовления печатной платы нам необходимо выбрать следующие материалы: материал для диэлектрического основания печатной платы, материал для печатных проводников и материал защитного покрытия от воздействия влаги. Сначала мы определим материал для диэлектрического основания печатной платы.

Существует большое разнообразие фольгированных медью слоистых пластиков. Их можно разделить на две группы:

– на бумажной основе;

– на основе стеклоткани.

Эти материалы в виде жестких листов формируются из нескольких слоев бумаги или стеклоткани, скрепленных между собой связующим веществом путем горячего прессования. Связующим веществом обычно являются фенольная смола для бумаги или эпоксидная для стеклоткани. В отдельных случаях могут также применяться полиэфирные, силиконовые смолы или фторопласт. Слоистые пластики покрываются с одной или обеих сторон медной фольгой стандартной толщины.

Характеристики готовой печатной платы зависят от конкретного сочетания исходных материалов, а также от технологии, включающей и механическую обработку плат.

В зависимости от основы и пропиточного материала различают несколько типов материалов для диэлектрической основы печатной платы.

Фенольный гетинакс - это бумажная основа, пропитанная фенольной смолой. Гетинаксовые платы предназначены для использования в бытовой аппаратуре, поскольку очень дешевы.

Эпоксидный гетинакс - это материал на такой же бумажной основе, но пропитанный эпоксидной смолой.

Эпоксидный стеклотекстолит - это материал на основе стеклоткани, пропитанный эпоксидной смолой. В этом материале сочетаются высокая механическая прочность и хорошие электрические свойства.

Прочность на изгиб и ударная вязкость печатной платы должны быть достаточно высокими, чтобы плата без повреждений могла быть нагружена установленными на ней элементами с большой массой.

Как правило, слоистые пластики на фенольном, а также эпоксидном гетинаксе не используются в платах с металлизированными отверстиями. В таких платах на стенки отверстий наносится тонкий слой меди. Так как температурный коэффициент расширения меди в 6-12 раз меньше, чем у фенольного гетинакса, имеется определенный риск образования трещин в металлизированном слое на стенках отверстий при термоударе, которому подвергается печатная плата в машине для групповой пайки.

Трещина в металлизированном слое на стенках отверстий резко снижает надежность соединения. В случае применения эпоксидного стеклотекстолита отношение температурных коэффициентов расширения примерно равно трем, и риск образования трещин в отверстиях достаточно мал.

Из сопоставления характеристик оснований следует, что во всех отношениях (за исключением стоимости) основания из эпоксидного стеклотекстолита превосходят основания из гетинакса. Печатные платы из эпоксидного стеклотекстолита характеризуются меньшей деформацией, чем печатные платы из фенольного и эпоксидного гетинакса; последние имеют степень деформации в десять раз больше, чем стеклотекстолит.

Некоторые характеристики различных типов слоистых пластиков представлены в таблице 4.

Таблица 4 – Характеристики различных типов слоистых пластиков

Сравнивая эти характеристики, делаем вывод, что для изготовления двусторонней печатной платы следует применять только эпоксидный стеклотекстолит. В данном курсовом проекте выбран стеклотекстолит марки СФ-2-35-1,5.

В качестве фольги, используемой для фольгирования диэлектрического основания, можно использовать медную, алюминиевую или никелевую фольгу. Однако алюминиевая фольга уступает медной, так как плохо поддаётся пайке, а никелевая имеет высокую стоимость. Поэтому в качестве фольги выбираем медь.

Медная фольга выпускается различной толщины. Стандартные толщины фольги наиболее широкого применения - 17,5; 35; 50; 70; 105 мкм. Во время травления меди по толщине травитель воздействует также на медную фольгу со стороны боковых кромок под фоторезистом, вызывая так называемое «подтравливание». Чтобы его уменьшить обычно применяют более тонкую медную фольгу толщиной 35 и 17,5 мкм. Поэтому выбираем медную фольгу толщиной 35 мкм.

1.7 Выбор метода изготовления печатной платы

Все процессы изготовления печатных плат можно разделить на субтрактивные и полуаддитивные.

Субтрактивный процесс (subtraction -отнимать) получения проводящего рисунка заключается в избирательном удалении участков проводящей фольги путем травления.

Аддитивный процесс (additio -прибавлять) - в избирательном осаждении проводящего материала на не фольгированный материал основания.

Полуаддитивный процесс предусматривает предварительное нанесение тонкого (вспомогательного) проводящего покрытия, впоследствии удаляемого с пробельных мест.

В соответствии с ГОСТ 23751 – 86 конструирование печатных плат следует осуществлять с учетом следующих методов изготовления:

– химического для ГПК

– комбинированного позитивного для ДПП

Металлизации сквозных отверстий для МПП

Таким образом, данная печатная плата, разрабатывае­мая в курсовом проекте, будет изготавливаться на основе двустороннего фольгированного диэлектрика комбинированным позитивным методом. Этот метод дает возможность получать проводники шириной до 0,25 мм. Проводящий рисунок получают субтрактивным методом.

2 РАСЧЁТ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОВОДЯЩЕГО РИСУНКА

2.1 Расчет диаметров монтажных отверстий

Конструктивно-технологический расчет печатных плат производится с учетом производственных погрешностей рисунка проводящих элементов, фотошаблона, базирования, сверления и т.п. Граничные значения основных параметров печатного монтажа, которые могут быть обеспечены при конструировании и производстве для пяти классов плотности монтажа, приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Граничные значения основных параметров печатного монтажа

В таблице указанно:

t – ширина проводника;

S – расстояние между проводниками, контактными площадками, проводником и контактной площадкой или проводником и металлизированным отверстием;

b – расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки данного отверстия (гарантийный поясок);

g – отношение минимального диаметра металлизированного отверстия к толщине платы.

Выбранные в соответствии с таблицей 1 размеры необходимо согласовать с технологическими возможностями конкретного производства.

Предельные значения технологических параметров конструктивных элементов печатной платы (таблица 5) получены в результате анализа производственных данных и экспериментальных исследовании точности отдельных операций.

Таблица 5 – Предельные значения технологических параметров

Продолжение таблицы 5

Минимальный диаметр металлизированного (переходного) отверстия:

d min V H расч ´ g = 1,5 ´ 0,33 =0,495 мм;

где g = 0,33 - плотность печатного монтажа для третьего класса точности.

H расч – толщина фольгированного диэлектрика платы.

Наша компания изготавливает печатные платы из высококачественных импортных материалов, начиная от типового FR4 и заканчивая СВЧ-материалами и полиимидом. В данном разделе мы определяем основные термины и понятия, применяемые в области проектирования и изготовления печатных плат. Раздел повествует о совсем простых вещах, знакомых каждому инженеру-конструктору. Однако и тут есть ряд нюансов, которые многие разработчики не всегда принимают во внимание.

*** Дополнительную информацию можно получить,

Конструкция многослойных печатных плат
Рассмотрим типовую конструкцию многослойной платы (рис. 1). В первом, наиболее распространенном, варианте внутренние слои платы формируются из двустороннего ламинированного медью стеклотекстолита, который называют «ядро». Наружные слои выполняются из медной фольги, спрессованной с внутренними слоями при помощи связующего — смолистого материала, называемого «препрег». После прессования при высокой температуре образуется «пирог» многослойной печатной платы, в котором далее сверлятся и металлизируются отверстия. Менее распространен второй вариант, когда внешние слои формируются из «ядер», скрепляемых препрегом. Это упрощенное описание, на основе данных вариантов существует множество других конструкций. Однако основной принцип состоит в том, что в качестве связующего материала между слоями выступает препрег. Очевидно, что не может быть ситуации, когда соседствуют два двусторонних «ядра» без прокладки из препрега, но структура фольга-препрег-фольга- препрег… и т. д. возможна, и часто используется в платах со сложными сочетаниями глухих и скрытых отверстий.

Глухие и скрытые отверстия
Термин «глухие отверстия» означает переходы, связывающие внешний слой с ближайшими внутренними слоями и не имеющие выхода на второй внешний слой. Он происходит от английского слова blind, и является аналогичным термину «слепые отверстия». Скрытые, или погребенные (от английского buried), отверстия выполнены во внутренних слоях и не имеют выхода наружу. Простейшие варианты глухих и скрытых отверстий показаны на рис. 2. Их применение оправдано в случае очень плотной разводки или для плат, очень насыщенных планарными компонентами с обеих сторон. Наличие этих отверстий приводит к удорожанию стоимости платы от полутора до нескольких раз, но во многих случаях, особенно при трассировке микросхем в корпусе BGA с маленьким шагом, без них не обойтись. Есть различные способы формирования таких переходных отверстий, они более подробно раскрываются в разделе , а пока рассмотрим более подробно материалы, из которых конструируется многослойная плата.

Tg — температура стеклования (разрушения структуры)
Dk — диэлектрическая постоянная

Базовые диэлектрики для печатных плат
Основные виды и параметры материалов, применяемых для изготовления МПП, приведены в таблице 1. Типовые конструкции печатных плат основаны на применении стандартного стеклотекстолита типа FR4, с рабочей температурой, как правило, от -50 до +110 °C, температурой стеклования (разрушения) Tg около 135 °C. Диэлектрическая постоянная Dk у него может быть от 3,8 до 4,5, в зависимости от поставщика и вида материала. При повышенных требованиях к термостойкости или при монтаже плат в печи по бессвинцовой технологии (t до 260 °C) применяется высокотемпературный FR4 High Tg или FR5. При требованиях к постоянной работе на высоких температурах или при резких перепадах температур применяется полиимид. Кроме того, полиимид используют для изготовления плат повышенной надежности, для военных применений, а также в случаях, когда требуется повышенная электрическая прочность. Для плат с СВЧ-цепями (более 2 ГГц) применяются отдельные слои СВЧ-материала, или плата целиком делается из СВЧ-материала (рис. 3). Наиболее известные поставщики специальных материалов — фирмы Rogers, Arlon, Taconic, Dupont. Стоимость этих материалов выше, чем FR4, и условно показана в последнем столбце таблицы 1 относительно стоимости FR4. Примеры плат с разными видами диэлектрика показаны на рис. 4, 5.

Толщина материала
Знание доступных толщин материалов важно инженеру не только для формирования общей толщины платы. При проектировании МПП разработчики сталкиваются с такими задачами, как:
- расчет волнового сопротивления проводников на плате;
- расчет величины межслойной высоковольтной изоляции;
- выбор структуры глухих и скрытых отверстий.
Доступные варианты и толщины различных материалов приведены в таблицах 2-6. Следует учитывать, что допуск на толщину материала обычно составляет до ±10%, поэтому и допуск на толщину готовой многослойной платы не может быть менее ±10%.

Таблица 2. Двусторонние «ядра» FR4 для внутренних слоев печатной платы

Как правило, в наличии;
з - По запросу (имеется в наличии не всегда)
м - Можно изготовить;
Примечание: для обеспечения надежности готовых плат важно знать, что для внутренних слоев зарубежные мы предпочитаем использовать ядра с фольгой 35 мкм, а не 18 мкм (даже при ширине проводника и зазора 0,1 мм). Это повышает надежность печатных плат.
Диэлектрическая проницаемость ядер FR4 может составлять от 3.8 до 4.4 в зависимости от марки.

Таблица 3. Препрег («связующий» слой) для многослойных печатных плат

Диэлектрическая проницаемость препрега FR4 может составлять от 3.8 до 4.4 в зависимости от марки.
Уточняйте этот параметр для конкретного материала у наших инженеров по email

Таблица 4. Материалы СВЧ фирмы Rogers для печатных плат

* Dk — диэлектрическая проницаемость

Таблица 5. Материалы СВЧ фирмы Arlon для МПП

Примечание: СВЧ-материалы не всегда есть на складе, и срок их поставки может доходить до 1 месяца. При выборе конструкции платы надо уточнить состояние склада производителя МПП.

Dk — Диэлектрическая проницаемость
Tg — температура стеклования

Хочется отметить важность следующих моментов:
1. В принципе доступны все номиналы ядер FR4 от 0,1 до 1,0 мм с шагом 0,1 мм. Однако при проектировании срочных заказов следует заранее уточнять наличие материалов на складе у производителя ПП.
2. Когда речь идет о толщине материала - у материалов, предназначенных для изготовления двусторонних плат, толщина материала указывается включая медь. Толщины «ядра» для внутренних слоев МПП задаются в документации без толщины меди.
Пример 1: материал FR4, 1,6/35/35 имеет толщину диэлектрика: 1,6-(2x35 мкм)=1,53 мм (с допуском ±10%).
Пример 2: ядро FR4, 0,2/35/35 имеет толщину диэлектрика: 200 мкм (с допуском ±10%) и полную толщину: 200 мкм+(2x35 мкм)=270 мкм.
3. Обеспечение надежности. Допустимое количество смежных слоев препрега вМПП - не менее 2 и не более 4. Возможность же использования одиночного слоя препрега между «ядрами» зависит от характера рисунка и от толщины смежных слоев меди. Чем толще медь и чем насыщенней рисунок проводников, тем сложнее заполнить смолой пространство между проводниками. А от качества заполнения зависит надежность платы.
Пример: медь 17 мкм - можно использовать 1 слой 1080, 2116 или 106; медь 35 мкм - можно использовать 1 слой только для 2116.

Покрытия площадок печатной платы
Рассмотрим, какие бывают покрытия медных площадок. Наиболее часто площадки покрываются сплавом олово-свинец, или ПОС. Способ нанесения и выравнивания поверхности припоя называют HAL или HASL (от английского Hot Air Solder Leveling — выравнивание припоя горячим воздухом). Это покрытие обеспечивает наилучшую паяемость площадок. Однако на смену ему приходят более современные покрытия, как правило, совместимые с требованиями международной директивы RoHS. Эта директива требует запретить присутствие вредных веществ, в том числе свинца, в продукции. Пока что действие RoHS не распространяется на территорию нашей страны, однако помнить о ее существовании небесполезно. Проблемы, связанные с RoHS, будут описаны нами в одном из последующих разделов, пока же давайте ознакомимся с возможными вариантами покрытия площадок МПП в таблице 7. HASL применяется повсеместно, если нет иных требований. Иммерсионное (химическое) золочение используется для обеспечения более ровной поверхности платы (особенно это важно для площадок BGA), однако имеет несколько более низкую паяемость. Пайка в печи выполняется примерно по той же технологии, что и HASL, но ручная пайка требует применения специальных флюсов. Органическое покрытие, или OSP, защищает поверхность меди от окисления. Его недостаток — малый срок сохранения паяемости (менее 6 месяцев). Иммерсионное олово обеспечивает ровную поверхность и хорошую паяемость, хотя тоже имеет ограниченный срок пригодности для пайки. Бессвинцовый HAL имеет те же свойства, что и свинец-содержащий, но состав припоя — примерно 99,8% олова и 0,2% добавок. Контакты ножевых разъемов, подвергающихся трению при эксплуатации платы, гальваническим способом покрывают более толстым и более жестким слоем золота. Для обоих видов золочения применяется никелевый подслой для предотвращения диффузии золота.

Таблица 7. Покрытия площадок печатной платы

Примечание: все покрытия, кроме HASL, совместимы с директивой RoHS и подходят для бессвинцовой пайки.

Защитные и другие виды покрытий печатной платы
Для полноты картины рассмотрим функциональное назначение и материалы покрытий печатной платы.
- Паяльная маска — наносится на поверхность платы для защиты проводников от случайного замыкания и грязи, а также для защиты стеклотекстолита от термоударов при пайке. Маска не несет другой функциональной нагрузки и не может служить защитой от влаги, плесени, пробоя и т. д. (за исключением случаев применения специальных видов масок).
- Маркировка — наносится на плату краской поверх маски для упрощения идентификации самой платы и расположенных на ней компонентов.
- Отслаиваемая маска — наносится на заданные участки платы, которые надо временно защитить, например, от пайки. В дальнейшем ее легко удалить, так как она представляет собой резиноподобный компаунд и просто отслаивается.
- Карбоновое контактное покрытие — наносится в определенные места платы как контактные поля для клавиатур. Покрытие имеет хорошую проводимость, не окисляется и износостойко.
- Графитовые резистивные элементы — могут наноситься на поверхность платы для выполнения функции резисторов. К сожалению, точность выполнения номиналов невысока — не точнее ±20% (с лазерной подгонкой— до 5%).
- Серебряные контактные перемычки — могут наноситься как дополнительные проводники, создавая еще один проводящий слой при недостатке места для трассировки. Применяются в основном для однослойных и двусторонних печатных плат.

Таблица 8. Покрытия поверхности печатной платы

Заключение
Выбор материалов велик, но, к сожалению, часто при изготовлении малых и средних серий печатных плат камнем преткновения становится наличие нужных материалов на складе завода - производителя МПП. Поэтому перед проектированием МПП, особенно если речь идет о создании нетиповой конструкции и применении нетиповых материалов, надо обязательно договориться с производителем об используемых в МПП материалах и толщинах слоев, а может быть, и заказать эти материалы заблаговременно.