Изготовление печатных плат
статья на тему

Лемешева Лариса Васильевна

ГБПОУ КК «Краснодарский колледж электронного приборостроения»

Преподаватель

Изготовление печатных плат

Печатная плата – пластина с отверстиями, выполненная из изолятора, на которой находятся проводники с контактными площадками для установки с помощью пайки электронных компонентов. Переход от объемного монтажа к монтажу на печатных платах стал новым этапом в производстве электроники. Монтаж в объеме сменился монтажом на плоскости. Сборка прибора с использованием технологии объемного монтажа тяжелее, чем использование монтажа на платах. Выполнение объемного монтажа требует крепления проводов для защиты от вибрации, компоненты устанавливаются в специальные носители. Разветвление сигнала по нескольким проводам выполняется с помощью клемм, которые вместе с держателями компонентов монтируются на шасси корпуса прибора. Разработка прибора на основе технологии объемного монтажа требует от конструктора длительной проработки механических креплений элементов схемы.

    Плата совмещает функции носителя проводников и носителя компонентов. С внедрением в производство электроники плат появилась возможность автоматизации монтажа. Существенно упростились ремонт и настройка. Значительное снижение доли объемного монтажа в сборке электронного прибора позволило снизить затраты и сократить количество ошибок. Если раньше для сборки электрической схемы требовалось большое количество проводов, то теперь достаточно одной или нескольких плат. Расположение проводников идентично при тиражировании плат, что позволяет производить приборы с высокой повторяемостью параметров, обусловленных емкостью и индуктивностью между электрическими связями и их электрическим сопротивлением. Поиск неисправности можно производить заменой плат, установленных в разъем вместо проверки множества проводов, которыми ранее выполнялся объемный монтаж. Использование плат снижает металлоемкость, размеры и массу, позволяет применять микросхемы, улучшить теплоотвод, что повышает характеристики приборов и снижает цену по сравнению с применением объемного монтажа.

    Преимущества монтажа на платах перед объемным монтажом сделали платы основным выбором производителей электроники. Потребность в большом количестве плат постоянно стимулирует совершенствование производства печатных плат и появление новых технологий, материалов в этой области. С появлением технологии печатных плат упростилась разработка электроники.

МАТЕРИАЛЫ

    Основные элементы конструкции печатной платы – диэлектрическое основание и размещенный на одной или двух сторонах проводящий рисунок. Все большее применение находят многослойные платы. Для решения некоторых инженерных задач выпускаются платы, выполненные на гибком основании. Иногда уместно применение комбинации двух и более материалов в конструкции одной платы и сочетание гибких и твердых оснований.

Различные материалы основания плат.

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

Стеклотекстолит в листах.

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

Некоторые характеристики марок стеклотекстолита.

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

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

Односторонний фольгированный стеклотекстолит.

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

Обозначения в наименовании СФ-1-35Г.

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

Фольгированный стеклотекстолит СФ.

Параметры некоторых марок фольгированного стеклотекстолита.

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

Односторонний фольгированный стеклотекстолит CEM-3.

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

Односторонний фольгированный гетинакс.

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

Параметры некоторых марок фольгированного гетинакса.

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

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

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

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

Параметры некоторых марок фольгированных материалов.

СТАДИИ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

    Термин печатная плата (рrinting plate) появился благодаря применению в производстве плат полиграфических технологий. В переводе рrinting plate означает печатная форма или матрица. Проводящий рисунок на плате формируется удалением лишних фрагментов фольги с использованием одного фотошаблона для партии плат. На первом этапе изготовления в заготовке платы сверлятся отверстия для монтажа компонентов и переходные отверстия для обеспечения электрического контакта между проводниками расположенными в разных слоях.

Переходное отверстие на плате без нанесения защитной маски.

 После сверловки отверстия подготавливаются к осаждению металла химической очисткой. Монтажные и переходные отверстия металлизируются осаждением нескольких слоев металла на поверхность стенок. Металлизированные отверстия должны выдерживать не менее 4 (многослойные не менее 3) перепаек.

    Если плата разработана для использования одностороннего фольгированного материала и имеет один слой проводящего рисунка, то переходных отверстий нет, надежность платы увеличивается, а цена снижается.

Участок заготовки платы с металлизированными отверстиями.

  На фольгированную поверхность наносится светочувствительное вещество.

Участок заготовки платы с нанесенным слоем светочувствительного вещества.

 Электронный файл, выполненный разработчиком печатной платы, содержит расположение отверстий и проводящий рисунок. Файл преобразуется в фотошаблон. Плата засвечивается через фотошаблон рисунка печатной платы. Выполняется проявление светочувствительного слоя.

Участок заготовки платы с проявленным светочувствительным слоем.

    После проявки одни участки светочувствительного слоя смываются, другие не растворяются и остаются на фольге, образуя рисунок проводников, контактных площадок и надписей.

Участок заготовки платы после удаления лишнего светочувствительного вещества.

 Затем плату погружают в химический раствор, вступающий в реакцию с медью. Проявленное светочувствительное вещество защищает медную фольгу от воздействия травящего раствора. Открытые участки медной фольги вытравливаются в химическом растворе.

Участок платы после травления.

  Светочувствительное вещество смывается. На плату наносится защитная маска для предохранения от замыканий во время монтажа и воздействия внешних факторов на проводники и основание платы.

Участок платы с защитной маской.

    По желанию на плату можно нанести маркировку: позиционные обозначения элементов схемы, децимальный номер разработки платы, наименования контактов пайки проводов и другие.

Участок платы с нанесенными надписями.

На плате, защищенной маской, площадки пайки покрывают припоем. Большинство производителей исключают свинец в своих изделиях. Все чаще применяется иммерсионное олово – химическое покрытие, обеспечивающее высокое качество печатных площадок платы. Покрытие обеспечивает хорошую пайку при хранении платы в течении нескольких лет и совместимо со всеми видами пайки, позволяет проводить несколько перепаек. При необходимости выполняется избирательное золочение и никелирование.

Участок платы с нанесенным оловянным покрытием контактов.

 На последних этапах производства в плате сверлят крепежные отверстия, используемые для механического крепления платы на шасси или для механического крепления элементов к печатной плате. В конце производства фрезеруют плату по контуру, придавая точные размеры установленные разработчиком.

    Производство плат, имеющих более двух проводящих слоев, сложнее. Они похожи на слоеный пирог, состоящий из тонких двухсторонних плат и прослоек из пропитанной смолой стеклоткани. Прослойка называется препрег, ее толщина 180-100 микрон. Многослойные платы могут иметь отверстия для межслойных соединений только между слоями и не проходящими через плату насквозь. Переходное отверстие для соединения наружного слоя и внутреннего – слепое, между внутренними слоями – скрытое. Платы с несквозными отверстиями имеют более высокую цену.

    После контроля плату отправляют на склад. Возможности производителей плат продиктованы набором освоенных технологий, поэтому перед размещением заказа на производство платы следует проконсультироваться с производителем.

РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

    Файл, используемый в производстве платы, создается разработчиком на основе электрической схемы модуля, требований к конструкции платы и других пунктов технического задания. Разработка платы выполняется в специализированных пакетах программ и производится на персональном компьютере.

    Размеры платы должны соответствовать следующим требованиям ГОСТ: кратность длины и ширины 2,5 мм при длине платы до 100 мм, кратность длины и ширины платы 5 мм при длине платы до 350 мм, кратность длины и ширины при длине более 350 мм, максимальный размер любой из сторон не более 470 мм, отношение длины к ширине не более 3:1. Если печатная плата имеет непрямоугольную форму, то длина каждой стороны должна соответствовать изложенным выше требованиям. В соответствии с выбранными размерами контур будущей платы изображается в специализированном графическом редакторе, входящем в пакет разработки плат и записывается в файл разрабатываемой платы.

    Электрическая схема проводимой разработки может трансформироваться в проводящий рисунок платы разными способами. Если схема, размещаемая на плате, содержит 3-5 компонентов, то удобней используя графические средства редактора печатных плат соединить компоненты проводниками в ручном режиме. При таком подходе можно сэкономить время разработчика, затрачиваемое на вычерчивание электрической схемы в редакторе схем, входящем в пакет разработки плат.

Схема и плата фильтра питания, разработанная в ручном режиме.

    Если схема более сложная, то ее нужно трансформировать в проводящий рисунок платы в полуавтоматическом режиме. Для этого схему придется полностью начертить в редакторе схем и перевести в специальной программе в совокупность электрических проводников.

Схема, требующая полуавтоматического режима разработки платы.

    Файл платы перед началом перевода информации из электрической схемы содержит контур платы в соответствии с требуемыми размерами. Сразу после перевода данных из схемы в плату разработчик видит корпуса элементов, выводы которых соединены линиями, обозначающие электрические связи.

Результат преобразования схемы в информацию для разработки платы.

    Заменяя линии проводящими дорожками, разработчик формирует проводящий рисунок платы. От мастерства разработчика зависит оптимальное расположение компонентов на плате, исключающее пересечение и обеспечивающее наименьшую длину проводящих дорожек. При разработке платы используются данные о компонентах. Условное графическое обозначение компонента схемы, чертеж корпуса и информация о выводах, сведения о типе корпуса элемента: выводной или планарный, диаметры отверстий для установки компонента и размеры контактной площадки для монтажа входят в группу данных о компоненте. Если в одном корпусе несколько элементов, например резисторная матрица, сдвоенный операционный усилитель, логические элементы в одной микросхеме, то эти сведения вносятся в группу данных. В соответствии с типом компонента группе данных присваивается наименование. Информация о каждом компоненте может храниться в отдельном файле, имя которого соответствует типу компонента или объединяться в несколько баз: база микросхем, база конденсаторов и другие.

    Часто при разработке применяется несколько новейших компонентов. Для них конструктор самостоятельно создает новые группы данных. Базы компонентов, предоставляемые в интернете или распространяемые зарубежными производителями компонентов, содержат обозначения, не соответствуют требованиям ГОСТ. Создание комплекта документации, используя заимствованные данные о компонентах для разработки схем и плат невозможно. Преимущество пакета программ для разработки плат перед чертежными пакетами состоит в том, что можно получить не только файл печатной платы для производства, но и электрическую схему, включаемую в комплект конструкторской документации. Графическую информацию для чертежей платы можно получить в черновике, требующем дальнейшего оформления по чертежным правилам. Поэтому разработчик постоянно расширяет собственную базу данных компонентов, работая над правильностью и полнотой накопленной информации, что позволяет действительно автоматизировать процесс разработки. Жесткая связь между всей информацией, входящей в группу данных об одном компоненте позволяет исключить ошибки, редактировать, экономить время разработчика при повторном применении компонентов.

Сторона компонентов разработанной платы.

    Элементы проводящего рисунка, кроме экранов, шин земли, концевых печатных контактов и технологических печатных проводников рекомендуется располагать на расстоянии от края не меньше толщины печатной платы с учетом допуска на размеры сторон. Рекомендуется применять не более трех типоразмеров монтажных и переходных отверстий. Площадки, обозначающие первый вывод компонента, делают другой формы, отличной от остальных. Для медного проводника толщиной 35 микрон и шириной 1 мм при перегреве на 20 градусов предельная нагрузочная способность ток 3 ампер. Максимальный ток следует уменьшить на 15% для расстояния между проводниками равном или меньше их ширины.

Сторона пайки разработанной платы.

    Две стороны платы, расположение отверстий и размеры платы входят в один файл, используемый в производстве фотошаблона, сверловке отверстий и фрезеровке контура платы.

КЛАССЫ ТОЧНОСТИ

    Интеграция, производительность и функциональность электронных систем постоянно растет. Снижение цены и повышение потребительских свойств приводит к усилению миниатюризации элементной базы и увеличению плотности монтажа на платах. Это возможно благодаря непрерывному развитию технологии производства плат. Все чаще монтируются микросхемы в корпусах с большим количеством выводов и уменьшенным шагом между выводами. В практику производства электроники почти повсеместно вошла технология поверхностного монтажа. Все это привело к формулировке новых требований к точности изготовления плат. Наряду с самыми прогрессивными изделиями электроники продолжается производство приборов освоенных много лет назад из-за отсутствия возможности у заказчика профинансировать глубокую модернизацию устаревшей техники. Промышленность производит электронику, относящуюся к разным эпохам, а иногда прогрессивные современные решения на одном предприятии соседствуют с разработками прошлых десятилетий. Это приводит к существованию различных требований к точности изготовления плат, получивших название классы.

    Чем старше номер класса, тем выше точность изготовления. В класс входят описания требований к размерам проводящего рисунка. Ширина проводника подразумевает минимальную гарантированную ширину, которую производитель обязуется реализовать в проводящем рисунке с гарантией качества.

Ширина минимального проводника в соответствии с классом точности.

  Также в описание класса входит требование к наименее возможному расстоянию между проводниками без замыканий. Плата производимая по требуемому классу благодаря технологиям производителя гарантированно не имеет замыканий, несмотря на близость расположения проводников, например при производстве платы по классу 5 при расстояниях между проводниками от 0,1 мм и более замыкания исключены.

   Минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка в соответствии с классом точности.

Эти требования в соответствии с ГОСТ изложены в руководящем документе 50-708-91. Другие конструктивные характеристики рисунка печатных плат являются производными от этих и свойств применяемого фольгированного материала.

   С увеличением номера класса растет цена изготовления платы. Далеко не всегда оправдано выдвигать требование изготовить плату по классу точности старше первого. Требования первого класса позволяют производить огромное количество плат на достаточно высоком уровне. При снижении ширины проводников приходится применять фольгированные материалы с низкой толщиной фольги. При высокой толщине фольги увеличивается время травления заготовки платы, обеспечить одинаковую степень травления по всей площади платы трудно. Начинает все больше сказываться явление боковых подтравов. Для обеспечения соответствия высоким классам производителю приходится применять более дорогие технологии, что увеличивает цену платы. От мастерства разработчика платы зависит, в какой класс войдет плата. Если удается избежать высоких требований к изготовлению платы, потратив больше времени на разводку проводников в дальнейшем затраты на разработку электроники окупятся при производстве. Платы сделанные по низким классам более надежны, благодаря широким проводникам и возможности применять более толстую фольгу, что позволяет допускать более сильные механические, токовые и температурные нагрузки. При увеличении толщины фольги возрастает надежность контакта между металлизацией отверстий и фольгой проводника.

ПОДГОТОВКА ДАННЫХ ИЗГОТОВИТЕЛЮ ПЛАТЫ

   При заказе платы у производителя следует выбирать материал исходя из прогнозируемой температуры эксплуатации основания платы, ориентируясь на температуру стеклования материалов. Чем выше температура стеклования материала, тем больший нагрев платы допускается, но более термостойкие материалы требуют увеличения затрат. Толщина материала выбирается по механическим нагрузкам на плату. Чаще всего толщина бывает 0,8 мм, 1 мм, 1,2 мм, 1,5 мм, 2 мм. При изготовлении платы из материала толщиной 2 мм возможны осложнения при металлизации отверстий. Чем толще основание платы, тем сильнее сказывается увеличение толщины при нагревании. Критическое температурное расширение материала может вызвать такое увеличение толщины, что будет повреждена металлизация переходных отверстий.

Обрыв металлизации при нагреве платы.

 Толщина наращиваемой меди на проводниках и в отверстиях составляет примерно 35 микрон. Наиболее часто употребляемый материал для плат это стеклотекстолит марки FR-4, все большую популярность набирает стеклотекстолит CEM-3.

   Для изготовления разработанной платы недостаточно передать производителю файл платы. Необходимо предоставить исчерпывающую информацию производителю о материалах, конструктивных размерах и другую. К какому классу точности относится плата, производитель определяет сам. Заказчик видит лишь цену изготовления. Достаточно в файле платы одну линию указать толщиной 0,1 мм и вся плата будет выполнена по классу 5 и завышенная цена заказчику платы обеспечена.

   Дополнительные данные передаются в виде файла, содержащего таблицу или набор строк.
Указывается:

   Вид платы: односторонняя, двухсторонняя или многослойная.

   Материал изготовления чаще всего это стеклотекстолит FR-4.

   Толщина фольги. Типовая толщина медной фольги – 35 или 18 микрон.

   Толщина материала платы.

   Информация о отверстиях. При разработке в файл платы вместе с корпусом выводного элемента вносится информация о отверстиях для установки компонента. Тип отверстия кодируется номером. Изготовителю необходимо сообщить, какой номер соответствует какому диаметру отверстия после металлизации. Диаметр сверла производитель определяет сам. Общее количество видов диаметров отверстий рекомендуется использовать не более трех.

   Минимальная толщина проводника, встречающегося на плате.

   Минимальное расстояние между проводниками на плате. Эти два параметра определяют класс платы.

   Наносить или нет защитную маску. Повлияет на цену.

   Проводить или нет электроконтроль. Повлияет на цену. Некоторые производители могут выполнять электроконтроль только для двусторонних и многослойных плат.

   Грамотно определив все требования, их кратко излагают во втором файле сопровождающем файл платы и передают изготовителю плат.

   Требования к платам для установки планарных компонентов, виды и особенности крепежных отверстий, подробный рассказ о гибких платах и многое другое выходят за рамки этой статьи.

 Литература: 

1. ГОСТ 10316-78 
2. ГОСТ 20406-75 
3. ГОСТ 23751 
4. РД 50-708-91 
5. ТУ 16-303-204-80 
6. ТУ 16-503.161-83 
7. ТУ 2296-012-00213060-2006