Основные виды печатных плат

Вид материала

Содержание

Топология и чертежи печатных плат
Программные средства проектирования печатных плат
Altium Designer
PCB Design Studio
OrCAD PCB Design Edition
Технологии формирования топологии печатных плат
Нанесение защитной маски
Обработка контура.
Установка и распайка компонентов
Литературатурные источники

Подобный материал:

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Печатная плата — это выполненная из диэлектрика пластина, на которой сформированы токопроводящие цепи (проводники). Печатная плата предназначена для электрического соединения различных электронных компонентов или соединения между собой отдельных электронных узлов. Печатные платы обычно содержат специальные монтажные отверстия и контактные площадки, дополнительно покрытые защитным покрытием сплавом олова-свинца, оловом, золотом или серебром, а также имеются переходные отверстия для электрического соединения слоёв платы, а также внешнее изоляционное покрытие (так называемая «защитная маска»), которое закрывает изоляционным слоем неиспользуемую для контакта поверхность платы.

Печатные платы обеспечивают:

Увеличение плотности монтажных соединений и возможность микроминиатюризации электронных изделий;
Получение печатных проводников, элементов и экранирующих поверхностей в одном технологическом цикле;
Гарантированную стабильность и повторение электрических характеристик;
Повышенную устойчивость к механическим и климатическим воздействиям;
Унификацию и стандартизацию конструктивных и технологических решений;
Возможность комплексной автоматизации сквозного проектирования электронных устройств и снижение трудоемкости, материалоемкости и себестоимости.

Появление печатных плат в их современном виде совпало с началом широкого использования полупроводниковых приборов в качестве элементной базы электроники. Разработка нового поколения элементной базы, ужесточение требований к электронным устройствам потребовали развития техники печатного монтажа и привели к созданию многослойных печатных плат, а также к появлению гибких печатных плат.

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на односторонние, двухсторонние и многослойные.

Однослойные печатные платы имеют одну диэлектрическую основу, на одной стороне которой выполнен проводящий рисунок. Выводные компоненты схемы располагают, как правило, на противоположной по отношению к проводящему рисунку стороне и соединяют с проводниками платы через проходные монтажные отверстия. SMD-компоненты располагают на той же стороне, что и проводящий рисунок платы.

Двухсторонние печатные платы имеют одну диэлектрическую основу, на обеих сторонах которой выполнен проводящий рисунок. Все компоненты схемы обычно располагают на одной из сторон. Переходы проводников из слоя в слой осуществляются через металлизированные переходные отверстия.

Многослойная печатная плата состоит из чередующихся изоляционных слоев с проводящим рисунком. Между слоями могут быть межслойные соединения. Компоненты схемы располагают как правило на одной из сторон. Однако следует отметить большую трудоемкость изготовления таких плат, высокие требования к точности рисунка и совмещения отдельных слоев, а также высокую стоимость технологии процесса изготовления.

Гибкая печатная плата имеет гибкое диэлектрическое основание. По конструкции эта плата аналогична двухсторонней печатной плате. Эту разновидность плат применяют в тех случаях, когда плата после изготовления подвергается вибрациям, многократным изгибам или после установки ей необходимо придать изогнутую форму. Разновидностью гипких печатных плат являются гибкие печатные кабели, которые состоят из одного или нескольких непроводящих слоев с размещенными внутри печатными проводниками.

Основой любой печатной платы служит диэлектрик, причем наиболее часто используются такие материалы, как текстолит, стеклотекстолит, ссылка скрыта. Гибкие печатные платы изготавливаются на полиимидной или лавсановой пленке и поэтому могут легко деформироваться после формирования на пленке проводящего рисунка.

Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно с помощью пайки и, в некоторых редких случаях, скруткой или склёпкой. В отличие от навесного монтажа, где компоненты электронной схемы соединяются с помощью монтажных проводов, на печатной плате электропроводящий рисунок соединений выполнен из тонкой медной фольги.

Фольгированные материалы – это многослойные прессованные пластики из электроизоляционной бумаги или стеклоткани, пропитанные искусственной смолой. Отечественная промышленность для производства печатных плат выпускает фольгированный стеклотекстолит марки СФ, СТФ и FR толщиной листа 0,5 мм и более. Толщина электролитической фольги стандартизирована и составляет 18, 35 и 50 мкм.

ТОПОЛОГИЯ И ЧЕРТЕЖИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

При изготовлении чертежа печатной платы следует руководствоваться требованиями стандарта ГОСТ 2.417-91 ЕСКД. Платы печатные. Правила выполнения чертежей.

При разработке топологии печатных плат решаются связанные между собой задачи:

схемотехнические - трассировка печатных проводников;
радиотехнические - расчет паразитных наводок и параметров линий связи;
теплотехнические - температурный режим работы;
конструктивные - размещение элементов на печатной плате;
технологические - выбор метода изготовления.

При этом руководствуются следующими рекомендациями:

Печатные проводники следует выполнять минимально короткими, а заземляющие проводники следует изготовлять максимально широкими. Проводники наиболее высокочастотных цепей прокладываются в первую очередь и имеют благодаря этому наиболее возможно короткую длину.
Прокладка рядом проводников входных и выходных цепей нежелательно во избежание паразитных наводок.
При разбиении схемы на слои следует стремиться к минимизации числа слоев. Это диктуется экономическими соображениями
Все отверстия платы следует располагать в узлах координатной сетки. На печатной плате должен быть предусмотрен ориентирующий паз или технологические базовые отверстия, необходимые для правильной ориентации платы.
По краям платы следует предусматривать технологическую зону шириной 1,5-2,0 мм. Размещение установочных и других отверстий, а также печатных проводников в этой зоне не допускается.

Ширину печатных проводников рассчитывают и выбирают в зависимости от допустимой токовой нагрузки, свойств токопроводящего материала, температуры окружающей среды при эксплуатации. Расстояние между элементами проводящего рисунка, расположенными на наружных или в соседних слоях платы, зависит от допустимого рабочего напряжения, свойств диэлектрика, условий эксплуатации и связано с помехоустойчивостью, искажением сигналов и вероятностью короткого замыкания.

Для координации элементов печатного рисунка необходима координатная сетка чертежа печатной платы. Координатную сетку в зависимости от способа выполнения документации следует наносить на все поле чертежа или на часть поверхности печатной платы, или рисками по периметру контура печатной платы. Допускается риски наносить по периметру контура печатной платы или на некотором расстоянии от него.
За начало отсчета в прямоугольной системе координат на главном виде чертежа печатной платы следует принимать:

центр крайнего левого или правого нижнего отверстия;
левый или правый нижний угол печатной платы;
левую или правую нижнюю точку, образованную линиями построения.

Монтажные и переходные отверстия располагают в узлах пересечений координатной сетки. При этом в качестве основного шага координатной сетки принимают размер 0,5 мм, 1,25 или 2,5 мм в обоих направлениях. При использовании микросхем и элементов с шагом выводов 0,625 мм допускается применение шага координатной сетки 0,625 мм. При использовании микросхем в DIP-корпусе допускается использование шага координатной сетки, кратного 2,54 мм.

Диаметры монтажных и переходных отверстий (металлизированных и неметаллизированных) должны выбираться из ряда:

0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4;2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3,0.

Монтажные отверстия предназначены для установки электронных компонентов, а переходные отверстия для электрической связи между слоями или сторонами платы.

В табл.9.1 показана классификация точности изготовления печатных плат. Эта классификация увязана с шагом проектирования и шагом расположения контактов компонентов. Данные по шагам проектирования и шагу выводов связывают точность плат с применяемой компонентной базой, в частности, с типами корпусов интегральных микросхем.

Размеры печатных плат определяют с учетом количества устанавливаемых компонентов, их установочных площадей и шага установки. В общем случае размер выбирают исходя из требований двух направлений - функционального и технологического.

Требования функционального направления в конструктивном плане выражаются плотностью компоновки, зависящей от размеров и количества корпусов микросхем и вида монтажа активных и пассивных связей электрической схемы. Требования технологического направления определяют ограничения типоразмеров с точки зрения технологических возможностей и эффективности производства заготовок, разрешающей способности фотолитографии, механической прочности, возможностей систем автоматизированного проектирования.

Таблица 9.1. Классификация точности изготовления печатных плат.

Класс	Ширина проводника и зазоры	Шаг проектирования		Шаг выводов элементов
Класс	Ширина проводника и зазоры	Наружные слои	Внутренние слои	Планарные	Матричные
0	0.2	1.25	0.625	0.625	2.5
1	0.15	0.625	0.625	0.5	1.25
2	0.1	0.625	1	0.5	1
3	0.075	0.5	1	0.5	1
4	0.05	0.5	0.5	0.25	0.5
5	0.05	0.25	0.25	0.25	0.5

Размеры каждой стороны печатной платы должны быть кратными:

- 2,5 мм при длине до 100 мм;
- 5,0 мм при длине свыше 100 до 350 мм;
- 10,0 мм при большей длине.

Соотношение сторон печатной платы не может быть более, чем 3:1, а максимальный размер стороны более 470 мм.

ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Современные компьютерные технологии позволяют проектировать печатные платы с достаточно высокой точностью (порядка сотен или даже десятков микрон). Для проектирования печатных плат используют специальный класс Систем Автоматизированного Проектирования — EDA. Процесс разработки печатной платы сводится к размещению компонентов и их трассировки, то есть, созданию заданного рисунка проводников - дорожек. Существует целый класс программ, способных в автоматическом или полуавтоматическом режиме по заданным критериям произвести размещение компонентов и трассировку печатной платы. Проведем обзор наиболее известных программных средств проектирования и разработки печатных плат.

P-CAD является наиболее распространённой программой EDA в России. Последнии версии программы стали логическим продолжением продуктов ACCEL EDA американской фирмы ACCEL Technologies, поглощенной компанией ссылка скрыта в начале 2000 года. Программа имеет все инструменты, необходимые для быстрого и эффективного решения любых задач проектирования печатных. Компании Protel понадобилось несколько лет, чтобы приблизить функциональность этого продукта к уровню собственной программы проектирования печатных плат Protel 99 SE. Современные версии этих продуктов имеют много общего: между ними существует полный двунаправленный транслятор, одинаковы состав и структура библиотек элементов, идентичны модули моделирования, автотрассировки и анализа целостности сигналов, имеется интерфейс с программой авторазмещения и автотрассировки SPECCTRA компании Cadence.

Программный комплекс Altium Designer воплотил в себя лучшие черты программ Protel и P-CAD и в настояшее время считается наиболее мощной программой, предназначенной для разработки проектов сверху вниз, от создания эскиза схемы до полного готового пакета проектной документации. Здесь применена оригинальная технология хранения проектной информации с возможностью одновременного сетевого доступа различных разработчиков к одним и тем же частям проекта. Проекты могут иметь сколь угодно сложную иерархию. Реализованная архитектура клиент-сервер предоставляет пользователям практически неограниченные возможности добавления в систему собственных модулей. Пакет без труда работает с многими национальными языками, так как использует настройки локализованной операционной системы Windows. Точность прорисовки примитивов на платах составляет 0.025 мкм, что на два порядка выше, чем в любой другой система проектирования. Кроме того система Altium Designer имеет мощные оригинальные средства автоматического и интерактивного размещения компонентов. Здесь имеются две встроенные программы авторазмещения компонентов Cluster Placer и Statistical Placer. Программа Cluster Placer рекомендуется для работы с платами с числом компонентов не более 100 и управляется набором соответствующих правил проектирования, регламентирующих зазоры между компонентами, разрешенные слои, ориентацию, высоту и группировку. Вторая программа автоматического размещения Statistical Placer предназначена для обработки плат с большим числом компонентов (свыше ста). Главным критерием правильного размещения компонентов здесь считается равномерное распределение компонентов на плате при оптимальной плотности связей.

Другим мощным, но и сравнительно дорогим решением для проектирования печатных плат является пакет компании Cadence - PCB Design Studio. В качестве редактора печатных плат здесь используется программа Allegro, позволяющая разрабатывать многослойные и высокоскоростные платы с высокой плотностью размещения компонентов. В качестве штатного модуля авторазмещения и автотрассировки здесь используется программа SPECCTRA, управляемая обширным набором правил проектирования и технологических ограничений. Собственных средств анализа целостности сигналов в программе нет, но эту функцию выполняет поставляемый отдельно модуль SPECCTRAQuest SI. В качестве средств построения проектов здесь предлагаются: OrCAD Capture CIS для сравнительно простых задач и Concept HDL для сложных иерархических или многовариантных проектов.

Программа OrCAD PCB Design Edition компании Cadence Design Systems является еще одним современным программным средством проектирования печатных плат. По своим возможностям комплекс OrCAD сопоставим с P-CAD и содержит редактор принципиальных схем, пакет аналого-цифрового моделирования, редактор топологий печатных плат, программу автоматической и интерактивной трассировки, а также модуль анализа целостности сигналов и перекрестных искажений.

Наконец для проектирования несложной печатной платы можно использовать модуль Ultiboard, входящий в состав аппаратно-программного комплекса ссылка скрыта. Этот модуль является удобной и интуитивно понятной в работе платформой начального уровня для полного цикла проектирования и трассировки печатных плат и поддерживает проекты печатных плат до четырех слоев.

Важным этапом проектирования печатных плат является подготовка уже разработанного проекта к производству. Под этим подразумевается генерация управляющих Gerber-файлов для изготовления фотошаблонов, станков для сверления отверстий, оборудования для автоматического тестирования плат и расстановки компонентов. Как правило, все рассмотренные системы проектирования печатных плат имеют встроенные средства генерации таких файлов.

Формат Gerber изначально был разработан для управления векторными фотоплоттерами (по аналогии с векторными графопостроителями) и позднее был адаптирован для современного растрового оборудования. В этих устройствах фотошаблон создается лучом света определенной формы, перемещающимся по фотопленке. Форма светового пятна называется апертурой. Файл в формате Gerber управляет перемещением пятна с помощью специальных команд (так называемых D-кодов). То есть в общем случае проводник рисуется так: код на выбор апертуры, код перемещения в точку с заданными координатами, код на включение лампы, код на перемещение в другую точку, код на выключение лампы. Контактные площадки и переходные отверстия рисуются с помощью вспышек (флешей, от английского flash — вспышка): код перемещения в точку с заданными координатами, код на кратковременную вспышку лампы, код на перемещение в другую точку и т.д. В результате всего этого на пленке появляется позитивный или негативный рисунок, который затем будет перенесен на стеклотекстолит и вытравлен.

ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ТОПОЛОГИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Формирование топологии печатных плат предусматривает проведение нескольких технологических этапов, в том числе: нанесение рисунка схемы и защитных покрытий, пробивка отверстий, создание и удаление участков проводящего слоя, облуживание и т.д. В зависимости от способа обработки проводящего покрытия платы (удаления или нанесения фольги) все процессы изготовления печатных плат подразделяются на субтрактивные, адитивные или полуадитивные.

Субтрактивный процес - это получение проводящего рисунка путем выборочного удаления участков проводящей фольги.
Аддитивный процесс - это выборочное осаждение проводящего материала на нефольгированную основу.
Полуаддитивный процесс предусматривает предварительное нанесение тонкого вспомогательного проводящего покрытия, которое затем удаляется из пробелов.

Рассмотрим основные типовые этапы формирования топологии и изготовления печатных плат.

Первый этап представляет собой заготовительный процесс. Он включает в себя нарезание заготовок из фольгированного диэлектрика (текстолита) и технологических прокладок (гетинакс). Часто на данном этапе делают пробивку черновых базовых отверстий, которые используются для закрепления технологической заготовки на рабочем столе сверлильного станка.   В крупносерийном производстве разрезку материала выполняют методом штамповки в специальных штампах на эксцентриковых прессах с одновременной пробивкой базовых отверстий на технологическом поле.   В   серийном   и мелкосерийном производстве широкое распространение   получили   многоножевые роликовые ножницы, на которых материал разрезается сначала на полосы заданной ширины, а затем на заготовки. Разрезку   основных   и вспомогательных материалов (прокладочной стеклоткани, кабельной бумаги и др.), необходимых   при   изготовлении   многослойных   печатных   плат   в мелкосерийном и единичном производстве, осуществляют с помощью гильотинных ножниц. Сверление отверстий (крепёжных, монтажных, переходных) в заготовках осуществляют на станках с числовым программным управлением

Далее при необходимости проводят химическое меднение. Наращивания меди (металлизация) в сквозных отверстиях производится гальваническим методом. В этом процессе происходит соединение верхнего и нижнего слоя по краю отверстия. Толщина слоя химически осаждённой меди составляет порядка 0,2-0,3 мкм.

Следующий этап - нанесение рисунков схемы на поверхности заготовок с целью получения защитной маски требуемой конфигурации при осуществлении последующих процессов металлизации и травления. Для этого применяют метод офсетной печати, метод сеткографии (трафаретная печать) или фотохимический метод, причем последний получил наиболее широкое распространение.

Метод офсетной печати заключается в изготовлении печатной формы, на поверхности которой формируется рисунок слоя платы. Форма закатывается валиком трафаретной краской, а затем офсетный цилиндр переносит краску с формы на подготовленную поверхность платы.

Сеткографический метод получения рисунка основан на применении специальных кислотостойких быстросохнущих красок, которые после продавливания через трафарет закрепляются на поверхности заготовки в результате испарения растворителя.

Фотографический метод предусматривает нанесение на поверхность заготовки платы специальных светочувствительных материалов - фоторезистов, негативных или позитивных. Негативные фоторезисты образуют при воздействии света защитные маски вследствие реакции фотополимеризации, при этом облученные участки остаются на плате, а необлученные удаляются при проявлении. В позитивных фоторезистах под действием света происходит фотодеструкция органических молекул, облученные участки удаляются при проявлении.

Фоторезисты могут быть жидкими и пленочными.

Жидкие фоторезисты имеют высокую разрешающую способность и химическую стойкость. Наносят жидкие фоторезисты на поверхность платы окунанием, центрифугированием, накаткой валками или разбрызгиванием. При покрытии окунанием заготовки погружаются в кювету с фоторезистом и вытягиваются с постоянной скоростью (10-50 см/мин). Толщина слоя определяется вязкостью, скоростью вытягивания и колеблется от 4 до 8 мкм. Способ обеспечивает двустороннее нанесение фоторезиста. Недостатком является неравномерность нанесенного слоя. Применение центрифугирования и накатки валками приводит к повышению равномерности наносимых слоев. Валковые конвейерные установки имеют обычно секции инфракрасной сушки резиста.

Сухие пленочные фоторезисты (СПФ) представляют собой структуру, состоящую из светочувствительного слоя, который помещается между защитной полиэтиленовой и светопроницаемой лавсановой пленками. Толщина пленочных фоторезистов варьируется от 20 до 130 мкм. Тонкие слои СПФ применяют в качестве маски при травлении меди с пробельных мест, средние - для создания рисунка при нанесении слоя металлизации, а толстые - для защиты отверстий с металлизацией при травлении. Фоторезисты наносят на платы валковым методом при нагреве до 105-120 °С и плотно прикатывают к поверхности заготовки для удаления воздушных включений. Реализующие этот метод установки называются ламинаторами. Они снабжены терморегуляторами, тарированными устройствами прижима подающих валков, устройствами для обеспечения давления на заготовку и обрезания фоторезиста после его нанесения.

Для инициирования фотохимических реакций в фоторезистах проводят экспонирование. Оно проводится в установках, состоящих из источников света, работающих в ультрафиолетовой области, рефлекторов и коллиматоров с использованием фотошаблонов.

Фотошаблон – это графическое позитивное или негативное изображение рисунка платы в натуральную величину в масштабе 1:1 на светопроницаемой пластинке, полученное путем фотографирования оригинала. Оригинал рисунка печатной платы – это реальное изображение на основе чертежа технологического слоя платы, выполненное в увеличенном масштабе. Из готового оригинала фотошаблоны получают масштабным фотографированием на фоторепродуктивных полиграфических камерах с объективами, имеющими высокую разрешающую способность.

В последнее время распространение получил более прогрессивный метод изготовления фотошаблонов (без предварительного создания оригинала) путем непосредственного сканирования по поверхности фотопластинки сфокусированным световым лучом.

В любом случае изображения элементов на фотошаблоне должны быть черно-белыми, контрастными, с четкими и ровными краями. Размеры печатных проводников и контактных площадок устанавливают с учетов возможного подтравливания. На рабочем поле фотошаблона не допускаются ореолы, пятна, точки, разрывы и другие видимые дефекты.

Фоторезисты вместе с фотошаблонами обеспечивают создание на поверхности платы соответствующего рисунка схемы методом фотопечати. Для плотного прилегания фотошаблонов к заготовкам плат используют рамы, оснащенные специальными откачными системами для создания вакуума.

Для проявления фоторезистов используют два вида установок: камерные для мелкосерийного производства и конвейерные для серийного производства. Камерные установки имеют насос для подачи проявителя под давлением, систему струйной промывки, змеевики охлаждения проявителя, таймеры, систему терморегулирования и устройства фильтрации проявителя. Конвейерные установки имеют зоны загрузки, первичного проявления, допроявления и промывки плат. Установки оснащены регуляторами скорости конвейера и давления жидкости, системами охлаждения и терморегулирования, основными и вспомогательными насосами фильтрации жидкости и отстойниками промывных вод.

После проявления оставшийся фоторезист должен быть твердым, блестящим, сплошным покрытием на поверхности заготовки с хорошей адгезией к ней, без проколов и других дефектов.

Следующий этап - травление.  В процессе травления происходит удаление незащищённых участков фольги с поверхности платы с целью формирования рисунка схемы. Травление меди с пробельных мест представляет собой сложный окислительно-восстановительный процесс удаления меди с непроводящих (пробельных) участков. Выбор травильного раствора определяется типом применяемого защитного слоя, скоростью травления, величиной бокового подтравливания, возможностью регенерации и экономичностью процесса.

Наибольшее распространение в технологии производства печатных плат получили травильные растворы на основе хлорного железа. Они отличаются высокой и равномерной скоростью травления, малой величиной бокового подтравливания, высокой четкостью получаемых контуров, экономичностью. Скорость процесса в свежеприготовленном растворе составляет 40 мкм/мин, но по мере накопления в нем ионов меди постепенно снижается и при 100 г/л составляет 5-6 мкм/мин.

После удаления меди с пробельных участков платы промывают холодной проточной водой. С помощью растворителей с платы удаляется также фоторезист.

Нанесение защитной маски.  Процесс нанесения маски включает в себя полное покрытие платы и дорожек защитной маской, не покрытыми остаются только контактные площадки для их дальнейшего лужения. Покрытия и маски для наружных слоев платы выполняются для защиты медных печатные проводников от окисления, для формирования паяльных масок, для создания износоустойчивых соединителей непосредственного контактирования. Введение в топологию платы паяльной маски является необходимым условием, т.к. обычная стеклоэпоксидная основа печатных плат не обладает достаточной теплостойкостью при температурах пайки (220-240 ^оС), и без паяльной маски за время, необходимое для проведения пайки, может происходить поверхностная деструкция материала диэлектрика. По методу формирования рисунка паяльные маски делятся на два типа:

Паяльные маски, рисунок которых формируется методом трафаретной печати. Как правило, это составы на эпоксидной основе, отверждаемые термически или ультрафиолетовым излучением.
Паяльные маски, рисунок которых формируется фотолитографическим методом (фоторезистивные маски). Для этих целей применяются сухие и жидкие фоторезистивные материалы. Размеры окон в маске на платах 3-го и более высоких классов точности должны превышать размеры контактных площадок на величину от 0,05 до 0,1 мм.

Следующий этап - это лужение контактов. Припой на контактные площадки наносится либо электроосаждением (с последующим оплавлением для снятия пористости осажденного металла) либо непосредственно окунанием платы, защищенной маской, в расплавленный припой. При горячем лужении плата полностью погружается в горячий припой и в момент вытягивания её оттуда обдувается сжатым воздухом. Припой должен остаться только на контактных площадках. Применяются и другие варианты покрытий, обеспечивающие хорошую паяемость.

Обработка контура. На сегодняшний день распространение получили такие технологии обработки контура как фрезерование, скрайбирование и штамповка. Выбор технологии зависит от сложности контура печатной платы.

На заключительном этапе проводят выходной контроль изделия. Целостность токопроводящих цепей и сопротивление изоляции между проводниками проверяются электрическим методом на автоматических тестерах с числовым программным управлением. Печатная плата при помощи контактного устройства соединяется на входе через коммутатор с блоком опроса, а на выходе - с измерительным устройством. Контактное устройство представляет собой матрицу из иглообразных подпружиненных контактов, расположенных в узлах координатной сетки. На каждую проверяемую цепь подается сигнал 5-12 В, результат измерения сравнивается с эталонным, и на основании этого сравнения определяется годность цепи. Снабжение блока опроса высоковольтным источником (150-1500 В) позволяет контролировать электрическую прочность изоляции.

Изготовление многослойных печатных плат имеет определенные особенности. Наиболее технологичным является так называемый комбинированный вариант с металлизацией сквозных отверстий. Он позволяет получать до 20 слоев, характеризуется высокой плотностью, хорошим качеством межслойных соединений, относительной простотой и экономичностью. В этом методе используются:

для наружных слоев- односторонний фольгированный диэлектрик,
для внутренних слоев - односторонний или двусторонний фольгированный диэлектрик,
в качестве межслойной изоляции - стеклоткань.

Из всех перечисленных материалов делают заготовки, в которых пробивают базовые отверстия для совмещения слоев и проводят очистку поверхностей. На заготовках внутренних слоев рисунок получают с двух сторон негативным фотохимическим методом, выполняя при необходимости контактные переходы химико-гальванической металлизацией. Рисунок наружных слоев получают комбинированным позитивным фотохимическим методом. Изготовленные слои совмещают друг с другом по базовым отверстиям, прокладывая между ними межслойную изоляцию, и спрессовывают в монолитную структуру. Прессование проводят в специальной пресс-форме с плоско-параллельными плитами, обеспечивающей точное совмещение и фиксацию слоев с помощью направляющих штырей по углам и через каждые 100-150 мм по периметру плиты. Температурный режим прессования платы предусматривает нагрев пакета до температуры 150-180 °С, удаление летучих компонентов смолы по мере расплавления и смачивания слоев пакета, полимеризацию и затвердевание смолы, затем охлаждение всего пакета до 30-40 °С.

УСТАНОВКА И РАСПАЙКА КОМПОНЕНТОВ

Производство печатных плат на стадии сборочно-монтажных операций включает в себя следующие основные этапы:

входной контроль и подготовка компонентов;
нанесение флюса или паяльной пасты на печатную плату;
установка компонентов;
оплавление припоя;
отмывка платы;
выходной контроль;
влагозащита;
упаковка.

В зависимости от конструкции корпуса и формы выводов можно выделить три основных группы компонентов:

Выводные компоненты. Группа включает в себя пассивные и активные компоненты с осевыми и радиальными выводами, а также интегральные схемы в корпусах типа DIP.
Поверхностно-монтируемые компоненты. К этой группе относятся различные типы SMD компонентов.
Нестандартные компоненты. К этой группе относятся выводные компоненты, не вошедшие в первую группу, и включающая в себя соединители, разъемы, трансформаторы, колодки и т.д.

Технология монтажа в отверстия представляет собой метод монтажа компонентов на печатную плату, при котором выводы компонентов устанавливаются в сквозные отверстия платы и припаиваются к контактным площадкам. Подготовка компонентов заключается в проведении их сортировки и, при необходимости, формовки и обрезки выводов. Формовку круглых или ленточных выводов элементов производят с помощью ручного монтажного инструмента либо специальных полуавтоматических устройств таким образом, чтобы исключались механические нагрузки, повреждение или нарушение защитного покрытия, изгиб в местах соединения вывода и корпуса, скручивание относительно оси корпусов, растрескивание стеклянных изоляторов и пластмассовых корпусов. Не допускается изгибать жесткие выводы (лепестки) транзисторов и диодов средней и большой мощности, так как это может привести к растрескиванию их стеклянных изоляторов и нарушению герметичности корпусов. Необходимо учитывать, что расстояние от корпуса до места пайки должно быть не менее 2,5 мм, если не приняты меры к дополнительному теплоотводу в процессе пайки.

Для проведения поверхностного монтажа используется ручная, полуавтоматическая или автоматическая сборка. Самыми простыми и недорогими устройствами для установки поверхностно монтируемых компонентов являются ручные манипуляторы, которые обычно состоят из следующих узлов:

Базовое устройство с пантографом.
Головка с автоматическим вакуумным захватом.
Встроенная вакуумная помпа или внешний компрессор.
Набор вакуумных наконечников.
Карусельный питатель для подачи компонентов.

Полуавтоматическая установка состоит, как правило, из рабочего поля, на котором закрепляется плата. Над ней в полуавтоматическом режиме перемещается вакуумная присоска, предназначенная для захвата и перемещения компонента из накопителя (ленты, пеналы или поддоны) на его место на плате.

Наиболее сложным, дорогим и высокопроизводительным оборудованием являются автоматические установщики. Принцип их работы состоит в следующем. Файлы САПР транслируются в исполнительные программы, посредством которых монтажная головка устройства автоматически перемещает компонент из накопителя на место его монтирования на плате. Производительность автоматических установщиков компонентов может доходить до 100 тыс. компонентов в час.

Далее осуществляется пайка элементов. При этом обеспечивается и механическое крепление выводов компонентов, и электрическое контактирование в соответствии с электрической принципиальной схемой. На рис. 9.1 показан полупрофессиональный комплекс (паяльные станции Lukey и GOOT) для распайки печатных плат.

Рис. 9.1:

Паяльные станции Lukey и GOOT

Для получения качественного паяного соединения, обладающего хорошими электропроводящими и прочностными свойствами, необходимо обеспечить несколько условий:

Получить чистые металлические поверхности у соединяемых деталей (удалить загрязнения и пленки окислов) с помощью технологического флюса;
Нагреть припой выше точки плавления;
Обеспечить вытеснение флюса с помощью наступающего припоя;
Обеспечить растекание жидкого припоя по металлической поверхности;
Обеспечить диффузию атомов из твердой металлической фазы в жидкий припой и наоборот – образование сплавных зон.

Флюс является материалом, под воздействием которого происходит быстрое и совершенное смачивание металлической поверхности соединяемых деталей расплавленным припоем благодаря влиянию сил поверхностного натяжения. Кроме того, флюс обладает свойством растворения и удаления окисных слоев на контактируемых металлах и защиты очищенной поверхности от нового окисления. Остатки флюса должны легко удаляться, не изменять электрические параметры исходного материала и не вызывать коррозии. В практике радиомонтажных работ широко распространены флюсы на основе органических кислот из смол хвойных пород деревьев (канифоль). Применяются также флюсы на основе синтетических материалов.

Среди припоев в радиоэлектронике наиболее широкое распространение получили припои на основе композиции олова и свинца (ПОС). В настоящее время применяют оловянно-свинцовые припои составов Sn63-Pb37, Sn60-Pb40, Sn40-Pb60, Sn95-Ag5, Sn62-Pb36-Ag2 и др. Сплавы имеет особую точку, называемую точкой эвтектики. В этой точке температура кристаллизации припоя составляет как правило менее 200 °С, что значительно ниже точек плавления составляющих припоя. Припои выпускаются в виде проволоки или заполненной флюсом трубки. В технологии поверхностного монтажа применяются в основном припойные паяльные пасты - это механическая смесь порошка припоя, связующего вещества, флюса и некоторых других компонентов. Паста наносится на заданные участки печатной платы с помощью дозаторов, механических устройств для трафаретной печати или специальных автоматических принтеров.

После нанесения паяльной пасты и установки элементов следует этап оплавления. Для этого используют печи, которые отличаются количеством зон нагрева и методом подогрева — инфракрасным, лазерным, конвекционным или смешанным.

Основным методом групповой пайки выводных компонентов, устанавливаемых в отверстия печатной платы, является пайка волной припоя. Она выполняется погружением обратной стороны платы с выступающими выводами в ванну с припоем. Платы, установленные на транспортере, подвергаются предварительному нагреву, исключающему тепловой удар на этапе пайки. Затем плата проходит над волной припоя. Сама волна, ее форма и динамические характеристики являются наиболее важными параметрами для процедуры пайки. Задается направление и скорость движения потока припоя, достигающего платы, а также угол наклона транспортера. Некоторые установки для пайки оборудуются дешунтирующим воздушным ножом, который устраняет перемычки из припоя. Нож располагается сразу же за участком прохождения волны припоя и включается в работу, когда припой находится еще в расплавленном состоянии. Узкий поток нагретого воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем самым, разрушая перемычки и способствуя удалению излишков припоя.

Для отмывки плат после операции оплавления применяются органические растворители. Очистка изделий с применением растворителей может быть реализована погружением плат в ванну с растворителем, равномерным по полю платы или направленным в виде струй опрыскиванием, либо комбинацией обоих методов. Может применяться также ультразвуковое перемешивание при очистке плат в ванне с растворителем. На эффективность очистки может повлиять ряд факторов, в том числе расположение компонентов. Компоненты должны размещаться на поверхности платы таким образом, чтобы их корпуса не загораживали друг друга при движении потока растворителя.

На всех стадиях сборочно-монтажных операций следует выполняются операции контроля: входной контроль, операционный контроль, выходной контроль. По степени охвата большинство операций относятся к сплошному контролю, т.е. проверке подвергаются все модули. Обнаруженные дефекты фиксируются в сопроводительной документации на узел для последующего устранения, для статистического учета и с целью выявления и устранения причин их появления.

Внутрисхемное тестирование выполняет проверку отдельных компонентов на плате или фрагментов схем. Применяются методы исключения влияния параллельных цепей. При проверке резистора, например, измеряется именно его сопротивление, а не сопротивление цепи, к которой он подключен. Внутрисхемное тестирование подразделяется в свою очередь на аналоговое и цифровое.

При аналоговом внутрисхемном тестировании обычно проверяется:

- наличие коротких замыканий и обрывов;
- номиналы дискретных компонентов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей, дискретных полупроводниковых приборов);
- наличие и правильность установки микросхем.

Влияние параллельных цепей исключается установкой блокирующих напряжений, применением метода многопроводного измерения, точным подбором напряжения и частоты тестирования. Этот метод тестирования позволяет обнаружить до 80% дефектов сборки, поэтому аналоговое внутрисхемное тестирование часто называют анализом производственных дефектов.

При цифровом внутрисхемном тестировании цифровые микросхемы проверяются на соответствие таблице истинности.

Выбор оборудования и метод контактирования для внутрисхемного тестирования зависит от требований и возможностей пользователя. Метод клипс и пробников универсален и недорог, но требует больших временных затрат и высокого уровня подготовки персонала. Обычно его применяют при единичном производстве и при ремонте. Метод «поле контактов» предполагает изготовление тестового адаптера для каждого изделия, но обеспечивает высокую производительность. Этот метод используется в среднем и крупносерийном производстве.

Функциональное тестирование предназначено для проверки работоспособности распаянного модуля и, при необходимости, его регулировки и настройки. Контакт с изделием осуществляется обычно через специальный краевой разъем. Тестовое оборудование, применяемое при функциональном тестировании, выполняет:

- подачу питающего напряжения с возможностью изменения его в автоматическом режиме, от минимального до максимально допустимого;
- подачу цифровых и аналоговых входных сигналов в широком диапазоне частот и напряжений;
- измерение параметров выходных сигналов;
- эмуляцию нагрузок;
- обмен данными с тестируемым устройством;
- обработку результатов измерений и вывод их на дисплей и принтер в удобном для пользователя виде;
- накопление и обработку статистической информации.

На заключительном этапе проводится влагозащита плат путем нанесения защитного лака.

Литературатурные источники

Бабич Н.П., Жуков И.А. Основы цифровой схемотехники: Учебное пособие.- М.: Издательский дом "Додека-XXI", К.: "МК-Пресс", 2007.- 480 с.
Медведев А.М. Печатные платы. Конструкции и материалы.-М.:Техносфера - 304 с.
Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат.- М.: Инфа-М, 2005.- 560 с.
Ильин В.А. Технология изготовления печатных плат. - Л.: Машиностроение, 1984. - 77 с.

Интернет-ресурсы

Ю. Потапов. Обзор САПР печатных плат ссылка скрыта
Обзор программных продуктов электронного САПР. ссылка скрыта
Учебно-Демонстрационный Комплекс "Электронные Технологии" ссылка скрыта
Зорин С.Ф. Производство печатных плат. Технология. ссылка скрыта
ЭЛИНФОРМ. Информационный портал по технологиям производства электроники. ссылка скрыта
Лекции по проектированию радиоэлектронной геофизической аппаратуры. ссылка скрыта
В. Кузьмин. Материалы для пайки печатных узлов при производстве современной РЭА ссылка скрыта

Blog