Изготовление печатных плат

1. Электромонтаж

    В производстве приборов значительное место занимают монтажные работы, включающие установку и закрепление покупных и комплектующих деталей (триоды, сопротивления, конденсаторы, полупроводниковые схемы, и др.) на платы, на шасси, на основание и т.п., а также их электрическое соединение между собой.

    Под электромонтажом аппаратуры понимают ряд последовательных операций по соединению монтажными проводниками контактных выводов электроэлементов схемы.

    Различают электромонтаж внутренний и внешний. Внутренний электромонтаж предусматривает осуществление соединений внутри самого устройства (блока, узла, прибора и т.п.) посредством монтажных проводов и выводов электроэлементов схемы. Внешний электромонтаж заключается в изготовлении соединительных кабелей, предназначенных для осуществления комплексной электрической связи между отдельными функциональными блоками или узлами сложной системы. Существуют два вида внутреннего электромонтажа: объемный и печатный. Представленная классификация весьма условна и приведена только с целью удобства рассмотрения технологии их выполнения. 

  

1. Печатный  монтаж и типовые  технологические  процессы

    Сущность  печатного монтажа заключается  в том, что все контактные соединения, предназначенные для пайки, выведены в одну плоскость и роль монтажных проводов выполняет проводящий металлический рисунок, закрепленный на изоляционной плате в соответствии с принципиальной схемой. Недостатки печатного монтажа: затруднено внесение изменений в схему, сложные схемы требуют большой площади платы. Достоинства: обеспечивает возможность механизации и автоматизации производственных процессов, повышенная прочность отдельных блоков, стабильность и идентичность взаимовлияний электрических параметров. Применение ППМ позволяет: обеспечить значительное повышение плотности соединений и возможность миниатюризации аппаратуры, стабильность электрических параметров, повышение электрических нагрузок в цепях, повышение качества и надежности аппаратуры, улучшение механической прочности, унификация и стандартизация узлов, создание условий для механизации и автоматизации монтажных работ.

    Конструкторско-технологическая  классификация 1ШМ.

    Печатные  платы могут быть:

    Односторонние без металлизированных отверстий,

    - «- с металлизированными отверстиями.

    Двухсторонние на диэлектрическом основании,

    -«-  на металлическом основании.

    Многослойные  с межслойными соединениями;

    -«-  без межслойных соединений.

    Гибкие  гибкие платы;

    -«-  гибкие кабели, шлейфы.

    Проводные с печатным рисунком;

    -«-  без печатного рисунка.

    Групповая плата.

    По  геометрическим размерам платы подразделяются на: - особо малогабаритные менее 60х90 мм, - малогабаритные менее 120х180 мм, - среднегабаритные менее 200х240 мм, - крупногабаритные менее 240х360 мм. Рекомендуемое соотношение сторон: 1:1; 1:3 ; 2:3 ; 2:5.

    По  плотности монтажа ППМ делятся на 5 классов, см. ГОСТ. Например, по ширине проводников и расстояния между проводниками от 0,5 мм до 0,1мм.

    В качестве материалов для плат печатного  монтажа применяют: гетинакс, стеклотекстолит, полиамидные материалы, фторопласт, керамику и другие материалы. Медная фольга используется для нанесения ее на диэлектрик в качестве проводников толщиной 20-50 мкм, при этом чистота состава не менее 99,5%.

    При изготовлении многослойных печатных плат применяют специальные склеивающие  прокладки, например: стеклоткань, пропитанная эпоксидной смолой; толщина прокладок 25-100мкм.

    В производстве ШМ применяют жидкие фоторезисты. Это светочувствительные составы  для получения рисунка печатного  монтажа. Жидкие фоторезисты могут  быть негативные и позитивные. В последнее время применяют сухие фоторезисты, которые превосходят жидкие по технологичности. Сухой фоторезист – это тонкая пленка, полимеризующуяся под действием ультрафиолетового излучения. Конструктивно пленка состоит из 3 частей: оптически прозрачная пленка полиэтилентерефталота, пленки светочувствительного полимера, защитной полиэтиленовой пленки.

    

    Рис.1.1. Схема травления (H - толщина вытравливаемого металла; F — толщина фоторезиста)

    Для получения рисунков печатного монтажа  необходимы фотошаблоны, изготовляемые большей частью с фотооригиналов. Фотооригиналом называют графическое изображение элементов печатного монтажа, выполненное, как правило, с увеличением масштаба на малоусадочной основе и предназначенное для последующего фотографирования с целью получения рабочих фотошаблонов. Фотошаблоном ППМ называют графическое изображение элементов печатного монтажа, выполненное в натуральном масштабе на фотопластинке или фотопленке и предназначенное для использования в серийном технологическом процессе производства ППМ. Фотошаблоны выполняют в позитивном и негативном изображениях путем перефотографирования фотооригинала. Фотошаблоны могут быть контрольные и рабочие. Производство фотооригиналов и фотошаблонов является наиболее трудоемкой операцией и составляет до 50% общей трудоемкости производства ППМ.

    Механическая  обработка ППМ предусматривает  обработку в них всех видов  отверстий, а также контурную  обработку.

    Изготовление  отверстий методом штамповки  производится специальным многопозиционным штампом, позволяющим получить сразу все отверстия или группу отверстий. Данный метод высокопроизводителен, но применяется только в массовом и серийном производстве и, кроме того, невозможно получить отверстия малого диаметра.

    Как правило, все отверстия изготавливаются  путем сверления. Таким же способом получают базовые и технологические отверстия. В качестве инструмента применяют специальные твердосплавные сверла. При сверлении отверстий происходит наволакивание смолы на контактные площадки. С целью устранения этого эффекта применяют: жидкостное охлаждение; угол заточки сверла 118о; применяют сверление и рассверливание; сверление с технологическими пластинами из пластмассы сверху и снизу основания ППМ. Наиболее прогрессивным оборудованием являются станки для сверления в ППМ с ЧПУ. Станки имеют четыре шпинделя ( одновременно обрабатывается четыре одинаковых платы), высокооборотные шпиндели (до 120 тыс. оборотов в минуту), хорошее виброизоляционное основание.

    В настоящее время написаны статьи о том, как выводить Gerber файлы  и программу сверления из систем проектирования PCAD 4.5, PCAD 8.5, PCAD 200X, OrCAD, Protel 99. Раздел будет пополняться статьями, посвященными самому стандарту RS-274X, выводу данных Gerber из систем проектирования Protel DXP, Eagle, особенностям при проектировании плат, приводящим к ошибкам при экспорте гербер файлов и т.д.

    Заготовки ППМ получают методами штамповки  и резания роликовыми или гильотинными ножницами. Виды дефектов в ПП: короткие замыкания между элементами печатного  монтажа; разрыв токопроводящих цепей; нарушение электрической связи между контактными площадками и металлизированными отверстиями в наружных и внутренних слоях многослойной структуры; отслоение элементов печатного монтажа от диэлектрического основания; выход отверстия за пределы контактных площадок; расслоение многослойной структуры и понижение сопротивления изоляции; потемнение проводников и др.

    В качестве материалов для плат печатного  монтажа применяют: гетинакс, стеклотекстолит, полиамидные материалы, фторопласт, керамику и другие материалы. Медная фольга используется для нанесения ее на диэлектрик в качестве проводников толщиной 20-50 мкм, при этом чистота состава не менее 99,5%.

    При изготовлении многослойных печатных плат применяют специальные склеивающие  прокладки, например: стеклоткань, пропитанная эпоксидной смолой; толщина прокладок 25-100мкм.

    Конструктивно-технологические  характеристики плат печатного монтажа(ППМ) определяют технологический процесс  их изготовления. В зависимости от сложности реализуемой электрической  схемы и применяемой элементной базы выбирают конструктивное исполнение платы, число слоев и плотность проводящего рисунка схемы. ППМ в зависимости от плотности рисунка делят на три класса:

    Технологический процесс изготовления основания  ППМ зависит от класса ППМ. Химический метод применяется для односторонних плат и внутренних слоев МПП. Электрохимический метод применяется для изготовления ДПП третьего класса и наружных слоев МПП. Комбинированный метод применяется для изготовления ОПП и ДПП первого и второго классов.Аддитивный метод применяется для ОПП и ДПП первого класса. Ориентировочно соотношение трудоемкости изготовления ОПП без металлизированных отверстий, ДПП и МПП составляет 1:4:20. По геометрическим размерам ППМ подразделяются на особо малогабаритные (80х90 мм); малогабаритные (120х180 мм); среднегабаритные(200х240 мм); крупногабаритные(240х360мм), при этом соотношение сторон выбирается из следующих величин 1:1, 2:3, 2:5.

    Трассировку рисунка схемы производят по координатной сетке с шагом 2,5; 1,25; 0,625 мм и менее. Это дает ряд преимуществ в технологии: упрощение в программе для сверления отверстий в платах, возможность использования шелкографии, упрощение процесса механизации и автоматизации. Допустимые рабочие напряжения для проводников плат зависят от минимальных расстояний между ними, материала диэлектрического основания и окружающей среды. Плотность тока в печатных проводниках наружных слоев плат не должна превышать 20 А/мм2, а во внутренних слоях МПП-15 А/мм². 

    Существует  достаточно большое количество различных технологических процессов получения оснований ППМ. Рассмотрим кратко только 4 основных способа:

    1. Химический метод заключается в том, что на фольгированный диэлектрик с одной стороны наносят защитный слой позитивного рисунка схемы. Последующим травлением в растворе хлорного железа или хлорной меди удаляют медь с незащищенных участков и на диэлектрике получается требуемая электрическая схема проводников. Химический метод подразделяется по методам нанесения защитных покрытий на: фотохимический, сеточнохимический, офсетнохи-мический. Метод применяется для односторонних плат и внутренних слоев МПП.

    2. Электрохимический (полуаддитивный) метод заключается в предварительном химикогальваническом меднении отверстий и поверхности нефольгированного диэлектрика, гальванического наращивания токопроводящих участков и химического травления слоя предварительного меднения с незащищенных мест. В зависимости от способа получения защитного рисунка схемы существуют варианты: фотоэлектрический, сеточнохимический, электрохимический. Метод применяется для изготовления двухсторонних печатных плат 3 класса и наружных слоев МПП.

    3. Комбинированный метод заключается в получении проводников путем травления фольгированного диэлектрика и металлизации отверстий химико-гальваническим способом. Может быть позитивный и негативный. Метод применяется для изготовления односторонних и двухсторонних плат 1 и 2 класса. Метод применяется также для металлизации сквозных отверстий для многослойных плат.

    4. Аддитивный метод заключается в химическом осаждении меди в зоне токопроводящих участков на нефольгированный диэлектрик с введением катализатора и с адгезивным слоем. Метод применяется для изготовления одно и двухсторонних плат невысокой точности.

    Комбинированный и электрохимический методы наиболее трудоемки.

    Технологический процесс состоит из ряда типовых  операций. Для примера рассмотрим один из вышеупомянутых технологических  процессов. 

2. Типы  печатных плат

       Появление печатных плат (ПП) в их современном  виде совпадает с началом использования  полупроводниковых приборов в качестве элементной базы электроники. Переход на печатный монтаж даже на уровне одно- и двухсторонние плат стал в свое время важнейшим этапом в развитии конструирования и технологии электронной аппаратуры.

       Разработка  очередных поколений элементной базы (интегральная, затем функциональная микроэлектроника), ужесточение требований к электронным устройствам, потребовали развития техники печатного монтажа и привели к созданию многослойных печатных плат (МПП), появлению гибких, рельефных печатных плат.

       Многообразие  сфер применения электроники обусловило совместное существование различных  типов печатных плат:

       1. ОПП - односторонняя печатная  плата. Элементы располагаются  с одной стороны платы. Характеризуется  высокой точностью выполняемого рисунка;