Конструирование печатных плат, печатных узлов и электронных модулей

Размещено на http://www.allbest.ru/

КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ, ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ И ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ



1. Критерии выбора конструкции печатных плат

Исходные понятия, терминология, четыре главных критерия выбора. Для рассмотрения вопросов, связанных с конструированием печатных плат, необходимо оценить место печатных плат в структуре РЭА и установить ряд понятий. Как известно, структура современной РЭА имеет две параллельные ветви: одна использует печатные платы, другая - интегральные платы. Интересующая нас в данный момент ветвь, основанная на печатных платах, состоит из цепи: печатные платы (ПП) - печатные узлы (УП) - электронные модули М1 - электронные модули М2 (блоки). В указанной цепи могут отсутствовать такие структурные единицы, как модуль и блок, когда печатный узел без конструктивной дополнительной аранжировки входит в составные части 3-го структурного уровня (пульт, моноблок и др.).

Печатный узел является первой и самой сложной, многоэтапной сборочной единицей РЭА, объединяющей множество элементов электрической схемы функционального узла. Эти элементы должны быть не только электрически соединены между собой в сложных сочетаниях, но и механически закреплены, чтобы противостоять механическим воздействиям во время эксплуатации. Кроме того, что очень важно, конструкция этих соединений должна быть пригодна для применения групповых технологических операций при изготовлении. Печатный узел отвечает этим требованиям.

Необходимо установить исходную терминологию. Выделим восемь основных терминов. Печатный узел (УП) - печатная плата со всеми электрически и механически подсоединёнными к ней навесными элементами и всеми выполненными операциями обработки (пайка, покрытия и т.д.). Печатная плата (ПП) - листовой материал, вырезанный по определённому размеру, содержащий необходимые отверстия и рисунок, обеспечивающие в дальнейшем электрическое и механическое соединение навесных элементов. Основные печатные платы - листовой материал, вырезанный по определённому размеру и подготовленный для того, чтобы нести на себе рисунок и навесные элементы. Заготовка ПП - листовой материал с поверхностью в состоянии поставки, подлежащий разрезке по размеру оснований ПП.

Рисунок ПП - конфигурация проводникового или изоляционного слоя. Проводящий рисунок ПП - рисунок ПП, образованный проводниковым материалом. Печатный проводник - непрерывная проводящая полоска или площадка в проводящем рисунке. Контактная площадка - часть печатного проводника на поверхности, в отверстии или в толще основания, используемая для соединения навесных элементов или для контрольных подсоединений.

Листовой материал основания и заготовки может быть в зависимости от поставленных перед конструктором задач изоляционным полимерным, фольгированным полимерным или металлическим.

Модули первого уровня (М1) образуются путём сборки УП с базовой несущей конструкцией. Несущей конструкцией называют механическую сборочную единицу, предназначенную для размещения, закрепления и защиты от внешних воздействий функциональных узлов в заданных условиях эксплуатации. Несущую конструкцию, принятую за исходную при разработке модификаций конструктивных решений, называют базовой несущей конструкцией (БНК).

Модулем, электронным модулем называют функционально и конструктивно завершенную часть конструкции РЭА, выполненную на БНК 1-го уровня, содержащую один или несколько печатных узлов, электрической многовыводный соединитель и кодовый ключ.

Кодовый ключ представляет собой элемент конструкции, обеспечивающий однозначность установки сборочной единицы при сопряжении соединителя с ответной частью, размещенной на несущей конструкции следующего уровня. Функциональная завершённость означает способность реализовать без дополнительных средств заданное число радиотехнических или электронно-вычислительных функций. Конструктивная завершённость означает возможность механической фиксации и электрического подключения без помощи дополнительных средств.

При конструировании печатных плат используются четыре главных критерия выбора: габаритный критерий, критерий плотности рисунка и толщины проводящего слоя, критерий числа слоёв, критерий материала основания. К вспомогательным критериям относятся электрические ограничения по паразитным параметрам, тепловые ограничения, ограничения по массе, по трудоёмкости изготовления, по безотказности, ремонтопригодности и др.

Габаритный критерий. Выбор габаритов ПП (длина а и ширина б) связан с разбиением электрической схемы блока на функционально законченные части. Наиболее отчетлива, эта связь заметна в электрических схемах с регулярной структурой, что типично для цифровой техники. В таких схемах легко выделить многократно повторяющиеся части, мало отличающиеся друг от друга. При уточнении электрической схемы эти различия следует убрать, введя избыточность в те схемы, где дополнительные элементы отсутствуют. Если же дополнительные элементы могут помешать, то предусматриваются проволочные перемычки, которые могут быть легко устранены. В результате выявляются части электрической схемы блока, которые могут быть выполнены на ПП и использованы в данном блоке несколько раз. Следует оценить возможность унификации такой схемы и за пределами блока.

Длина ПП обычно регламентирована с учётом размера электрического соединителя и составляет, а = 170 мм. Ширина б составляет 75 мм; 120 мм (только для морской и самолётной РЭА); 150 мм; 200 мм. Разрешённый к применению размер б 150 мм предпочтительно заменять двумя стандартными платами размером 75 мм.

Предпочтительным является типоразмер ПП 17075 мм. Этот наименьший типоразмер из рекомендуемого ряда выгодно сочетает в себе все преимущества ПП малых размеров с достаточно большой полезной площадью. Размерные преимущества малых ПП перед большими проявляются в ослаблении отрицательного влияния таких явлений, как коробление, ухудшенный теплообмен в центре платы, пониженная ремонтопригодность.

Коробление ПП происходит вследствие слоистой структуры основания, содержащего диэлектрические и проводящие (металлические) слои, расширение которых при нагревании и сжатие при охлаждении различно. Чем больше длина платы, тем коробление значительнее, т.е. больше опасность обрыва проводников, замыкания, отрыва паяных контактов при температурных деформациях. Температурные деформации относятся к медленно действующим механическим деформациям. Динамические деформации в результате вибрационных и ударных перегрузок и линейных ускорений, передаваемых на ПП от объекта, на котором установлена РЭА, также уменьшаются с уменьшением размера ПП.

Ухудшение теплоотвода из центра платы, протекающего по механизму теплопроводности, наблюдается с увеличением размеров ПП. Это вызвано увеличением пути теплостока к краю ПП, где осуществлён основной тепловой контакт с корпусом блока, который по отношению к массе ПП играет роль бесконечного радиатора.

Заниженная ремонтопригодность платы большого размера связана с тем, что затрудняется поиск неисправности, а при агрегатном способе ремонта путём замены велика стоимость такого большого печатного узла.

Вместе с тем надо учитывать, что при использовании нескольких малых ПП вместо одной большой неизбежно выявляются два отрицательных момента:

требуются дополнительные переходные контакты или соединители разъёмного типа, что повышает трудоёмкость сборки и может снизить безотказность, и

требуется больше крепёжной арматуры, что также повышает трудоёмкость и, кроме того, повышает массу.

Поэтому в технически обоснованных случаях ряд рекомендованных типоразмеров ПП нарушается в сторону увеличения размеров сторон, в том числе и сторона а. Это допускается, когда модуль и блок вырождены и печатный узел поступает на сборку непосредственно в моноблок, пульт и т.д. Примером могут служить ПП для телевизоров, вещательных приёмников и других устройств, не подвергаемых большим тепловым ударам и механическим воздействиям.

Критерии плотности рисунка и толщины проводящего слоя. Предыдущий габаритный критерий тесно связан с той плотностью, с какой может быть выполнен рисунок. По ГОСТ 23751-79 установлены три класса плотности рисунка (табл.3-1)

Шириной печатного проводника (или, сокращённо, шириной проводника) t называют размер проводника на любом участке в плоскости основания (неровности края во внимание не принимаются). Расстоянием между проводниками s называют расстояние между краями соседних проводников на одном слое ПП. В свободных местах рисунка (не в узкостях) ssмин; t1,5 tмин.

Таблица 1 - Геометрические параметры трёх классов плотности рисунка ПП

Класс плотности	Плотность	Ширина проводника tмин. мм.	Расстояние между проводниками sмин. мм.	Разрешающая способность R, линий / мм.	Предельный размер ПП (а или б), мм.
1	Малая	0,50	0,50	1,0	Без ограничений
2	Средняя	0,25	0,25	2,0	240
3	Высокая	0,15	0,15	3,33	170

Разрешающей способностью рисунка R называют число полос (линий) равной ширины, укладывающееся на 1 мм при шаге укладки, равном двойной ширине полосы. В рисунке ПП за линию принимают проводник. Разрешающая способность рисунка ПП

R = 1 / (tмин. + sмин.), где tмин. - минимальная ширина проводника, допускаемая в узкостях рисунка, мм; sмин. - минимальное расстояние между проводниками, допускаемое в узкостях рисунка, мм; tмин.= sмин.

Выбранный конструктором класс плотности рисунка должен быть проверен по норме допустимых рабочих напряжений для проводников, лежащих в одной плоскости, а также по плотности тока (из расчёта предельной допустимой плотности тока в печатном проводнике 20 А/мм2) и по допустимым потерям на постоянном токе (табл. 3-2).

Таблица 2 - Электрические параметры трёх классов плотности рисунка ПП

Класс плотности	Предельно рабочее напряжение, В.	Предельный ток, мА.	Погонное сопротивление, мОм/мм.
		при толщине проводящего слоя, мкм.
		10	20	35	10	20	35
1	100	80	160	260	4,0	2,0	1,1
2	30	40	80	130	8,0	4,0	2,3
3	20	25	50	80	13,2	6,6	3,8

Плотность тока и потери зависят от толщины проводящего слоя, которая регламентирована тремя значениями: 10, 20 и 35 мкм. Если потери не существенны для работы электрической схемы (но не для сигнальных цепей, когда падение напряжения сигнала может уменьшить отношение сигнал-шум), то конструктор должен предпочитать толщину 10 мкм для повышения точности и для экономии меди. Плотность тока, если она окажется недостаточной из расчёта принятого выше значения 20 А/мм2, может быть увеличена на порядок при переходе на металлическое основание.

Критерий числа слоёв. По числу слоёв различают односторонние (ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП) печатные платы. Односторонней называют ПП с проводящим рисунком на одной стороне основания, в отличие от двусторонней, где рисунок выполнен на обеих сторонах. Многослойной называют ПП, состоящую из чередующихся изоляционных слоёв с нанесённым на них проводящими рисунками, причём между рисунками выполнены необходимые межслойные соединения.

Выбор конструктором числа слоёв означает выбор между ОПП, ДПП и МПП для конкретной, поставленной перед ним задачи. Возможности трассировки (прокладки соединительных печатных проводников) растут вдоль ряда ОПП - ДПП - МПП, но растёт и трудоёмкость изготовления и падает надёжность. При использовании в качестве навесных элементов ИС в корпусах с большим числом близко расположенных выводов (обычно с шагом 1,25 мм) контактные площадки на ПП настолько сближаются, что между ними нельзя проложить необходимого числа проводников в один слой. Для таких случаев используют МПП с числом слоёв до четырёх. В последнее время из-за значительных технологических недостатков МПП те же топологические задачи конструкторы предпочитают решать на основе ДПП, как более простых и надёжных, с прокладкой на поверхности ДПП вместо неуместившихся печатных проводников дополнительных прямых отрезков изолированного провода, натягиваемых между предусмотренными для этого контактными площадками.

ДПП с дополнительным монтажом прямыми отрезками изолированного провода будем обозначать ДППдм. Таким способом топологические возможности ДПП доводятся до уровня МПП с четырьмя и более слоями. На долю дополнительного проводного монтажа приходится до 50% числа всех соединений в готовой ПП. Проволочные перемычки, напаиваемые на поверхность ПП дополнительно к печатным проводникам, являются обычным явлением для печатных узлов: из-за топологических трудностей трассировки разрешается до 5% числа всех необходимых соединений выполнять с помощью навесных перемычек, напаиваемых вручную. В ДППдм напайка перемычек осуществляется монтажным роботом, перфолента для управления которым составляется одновременно с разработкой рисунка ДППдм.

Таким образом, современный ряд конструкции ПП, построенный по числу слоёв, имеет вид

МПП

ОПП ------ ДПП -------

ДППдм

Выбор варианта в каждом конкретном случае производит конструктор с точки зрения технологичности конструкции.

Коробление, о котором шла речь при рассмотрении габаритного критерия, при прочих равных условиях (габариты, толщина платы) в ДПП всегда значительно меньше, чем в ОПП, так как расположенные на основании с обеих сторон металлические слои до некоторой степени компенсируют друг друга.

Материал основания. Выбор толщины и материала основания оказывает основное влияние на свойства ПП: жёсткость, собственную ёмкость, теплопроводность. Установлен размерный ряд значений толщины оснований ПП - как гибких, так и жёстких:

Гибкие Жёсткие

Наибольшее распространение в отечественной практике нашла толщина 1,0 мм и 1,5 мм, которая допускает получение металлизированных отверстий в основании соответственно 0,32 мм и 0,48 мм (минимальный допустимый диаметр). Если толщину основания выбирают с точки зрения жёсткости печатного узла, то надо учитывать, что жёсткость пропорциональна толщине в кубе. Для оснований применяют изоляционные материалы типа стеклопластиков или листовой материал. Листовой материал (сплав алюминия или низкоуглеродистая сталь) начали применять относительно недавно.

Интерес к замене традиционного стеклотекстолитового основания металлическим вызван, в первую очередь, стремлением повысить теплопроводность платы при повышенном тепловыделении навесных элементов.

Материал	Медь	Алюминий	Сталь низкоуглеродистая	Стеклотекстолит
Теплопроводность, Вт/(м*К)	320	200	50	0,2

По этой причине при стеклотекстолитовом основании значительная часть теплового потока, протекающего по печатному узлу, распространяется по металлу проводящего рисунка. Для того чтобы снизить тепловое сопротивление проводящего рисунка, специально меняют топологию рисунка так, чтобы он играл роль теплопроводных шин при условии, что тепловыделяющий элемент закреплён на проводнике с помощью теплопроводной мастики или припаян. Из-за малой толщины проводника (не более 50 мкм) иногда вводят дополнительные толстые (0,5 мм) теплоотводные медные шины, накладываемые на поверхность печатного узла.

Более радикальным путём снижения теплового сопротивления является замена стеклотекстолита на алюминиевый сплав, что позволяет снизить сопротивление в три-четыре раза при прочих равных условиях и без навесных теплоотводных шин (рис. 3-4). Металлическое основание толщиной 0,8 мм представляет собой лист металла толщиной 0,5 мм с полимерной пленкой (например, полиимидной) толщиной 0,15 мм, накатанной с двух сторон листа (чтобы исключить коробление).



Рис. 1. Распределение теплового поля по ширине ПП от точечного источника в зависимости от материала основания.

________ стеклотекстолит; __. __. __ сталь; _ _ _ _ алюминиевый сплав;

Экспериментальные исследования проводились при точечном (рис. 3-4) и лине источнике тепла. Точечным источником служил транзистор мощностью 2 Вт, нагреваемый для выделения этой мощности протекающим через него постоянным током, причем транзистор был установлен на контактную площадку с применением теплопроводной мастики (переходное тепловое сопротивление транзистор - площадка составляло 0,2 к/Вт). Измерения температуры поверхности корпуса транзистора при температуре окружающей среды 250С показали, что превышение температуры этой поверхности над комнатной температурой при алюминиевом основании в четыре раза меньше, а при стальном основании в три раза меньше, чем при основании из стеклотекстолита. Линейным источником нагрева служил печатный проводник шириной 1 мм, нагреваемый протекающим по нему постоянным током. Металлическое основание в среднем в четыре раза снижает перегрев, измеряемый на поверхности этого проводника, допуская 5-10-кратное превышение плотности тока в сравнении со стеклотекстолитовым основанием.



2. Обеспечение технологичности конструкции печатных плат

Общетиповая (глобальная) оценка технологичности ПП. Технологичность конструкции печатных плат это приспособленность конструкции ПП к ограниченному расходу трудовых, материальных и энергетических ресурсов на подготовку производства и промышленный выпуск в заданном количестве по высшей категории качества (производственная технологичность) и при техническом обслуживании и ремонте (эксплуатационная технологичность). Производственная технологичность ПП определяется трудоёмкостью изготовления. Эксплуатационная технологичность ПП оценивается контролепригодностью и взаимозаменяемостью.

При такой оценке сравнение конструкций по технологичности проводят между типами ПП в ряду: ОПП - ДПП - ДППдм - МПП. Ряд построен по возрастающей трудоёмкости изготовления при одинаковой разрешающей способности рисунков и одинаковом объёме выпуска сравниваемых типов. Трудоёмкость к концу ряда повышается на порядок по сравнению с началом ряда: изготовление одной четырёхслойной МПП оценивается в среднем в 30 нормо-часов, а одной ОПП - в 3 нормо-часа. Из общетиповой оценки технологичности следует, что конструктор должен стремиться принять в первую очередь первый тип ПП в ряду (ОПП) и переходить к следующему типу только в том случае, если нельзя обеспечить заданные требования к размещению и трассировке.

Общетиповая оценка технологичности ПП ставит второе условие: предпочтительно использование сеткографии вместо фотолитографии. Это требование при всех трёх классах плотности рисунка выполняется для ПП 170150 мм, не более. Габаритное ограничение вызвано конечными возможностями сеткографии, при которой точность воспроизведения оттиска связана с деформацией сетки трафарета, значительно увеличивающейся при превышении указанных габаритов.

Разработан печатный полуавтомат ПАП-170 с рабочей площадью запечатываемой поверхности 170150 мм, который совместно со столом изготовления трафаретов СИЕ-170 обеспечивает разрешающую способность оттиска 150 мкм (3 линии/мм) при поле допуска на совмещение 30 мкм. Трафареты выполняются из стальной сетки с покрытием из плёночного фоторезиста, что обеспечивает повышенную износостойкость трафаретов. Фотолитография дороже и вредно действует на окружающую среду.

Третье условие общетиповой оценки технологичности - отказ от субтрактивной технологии всюду, где это возможно. Субтрактивной называют технологию получения проводящего рисунка путём избирательного удаления отдельных участков из сплошного металлического слоя, покрывающего изоляционное основание. Эта технология не отвечает требованиям к охране окружающей среды, экономии меди и электрических ресурсов.

Конструкторы должны ориентироваться на аддитивную и полуаддетивную технологию.

Аддитивной называют технологию получения проводящего рисунка путём избирательного нанесения его на изоляционное (нефольгированное) основание. Полуаддетивной технологией называют различные варианты аддитивной технологии. Проводящий слой наносят и на поверхность отверстий, предназначенных для впаивания проволочных и штыревых выводов от ЭРЭ и соединителей, чего не может обеспечить субтрактивная технология. Металлизация отверстий создаёт условия для прочного механического и надёжного электрического соединения.

Рис. 2. Искажение размеров при субтрактивном (а) и аддитивном (б) принципе изготовления.

1 - металл печатного проводника; 2 - защитный рисунок из резиста; 3 - изоляционное основание; h - ширина печатного проводника на трафарете (фотошаблоне); m - подтравливание; n - нависание

Внутритиповая (локальная) оценка и обеспечение технологичности ПП.

Для выбранного типа ПП должны выбираться такие решения, которые лучше других отвечают требованиям производственной (трудоёмкость изготовления) и эксплуатационной (контролепригодность и взаимозаменяемость) технологичности и надёжности. Обычно все типы ПП отвечают требованиям эксплуатационной технологичности. Контролепригодность обеспечивается выведением соответствующих контрольных контактных площадок. Чем выше плотность размещения, тем труднее обеспечить контролепригодность, но это не зависит от типа ПП. Взаимозаменяемость труднее всего обеспечить для МПП, так как перепайка навесных элементов со штыревыми выводами связана с прогревом до 2000С (и несколько больше) сквозных металлизированных отверстий с опасностью нарушения контакта с внутренними проводниковыми слоями.

Для ОПП и ДПП наибольшей производственной технологичностью будет обладать конструкция размером 170150 мм, проводниковый рисунок который получен способом сеткографии, а лужение контактных площадок и дозированное нанесение припоя для последующей пайки выполнено с помощью паяльной пасты, наносимой сеткографией и оплавляемой под инфракрасным облучением (например, с помощью установки инфракрасного излучения УИКИ-300).

В тех случаях, когда принято решение о применении ПП размером свыше 170150 мм с высокой плотностью рисунка (3-й класс), технологичной будет конструкция, использующая фотолитографию. Фотолитография представляет собой прецизионный метод нанесения рисунка на основе фотопечати - копирования с помощью света и химической обработки поверхности. Основным инструментом при фотолитографии, обеспечивающим высокую точность, является фотошаблон, несущий требуемый рисунок, копируемый на обрабатываемой поверхности с помощью света. При этом обрабатываемая поверхность покрывается слоем светочувствительного фоторезиста.

Помимо прецизионности, фотолитография отличается малой зависимостью от обрабатываемой площади, что способствует применению групповых методов обработки. Однако общим недостатком фотолитографии, снижающим трудоёмкость, являются многочисленные и относительно продолжительные операции, следующие друг за другом: нанесение фоторезиста, экспонирование, проявление, дубление, травление или наращивание меди (химическое или электрохимическое), удаление фоторезиста. Фотолитография вызывает загрязнение сточных вод и требует дорогих мероприятий по защите окружающей среды.

Разрешающая способность и точность при фотолитографии ухудшаются в процессе наращивания меди или травления (рис. 3-5). Эти искажения тем меньше, чем тоньше слой проводника.

В качестве травителя используют раствор хлорного железа плотностью около 1,3 с небольшой добавкой соляной кислоты HCl для поддержания кислотности ванны pH 2,5, что интенсифицирует процесс. Протекает следующая реакция:

2FeCl3 + Cu = 2FeCl2 + CuCl2.

По мере травления концентрация хлорного железа FeCl3 уменьшается, а хлористого железа FeCl2 - увеличивается. Это замедляет процесс, поэтому периодически раствор надо подкреплять.

На скорость травления, кроме отмеченного обстоятельства, влияют следующие факторы: температура раствора, давление струй травильного раствора, количество воздуха, поступающего в зону реакции.

Практически время травления фольги толщиной 50 мк составляет 9 мин.

Хлористое железо в качестве травителя выбрано по преемственности от цинкографических процессов литографского производства, издавна применяемых для изготовления полутоновых клише. Во многих случаях и травильные агрегаты используют от того же производства.

Преимущества хлорного железа как травителя следующие:

относительная дешевизна;

чёткое и равномерное травление меди;

отсутствие токсичных паров при травлении.

Однако надо иметь в виду и трудности, возникающие при использовании хлорного железа:

требуется тщательный контроль и корректировка ванны в процессе травления;

длительное использование одной и той же травильной ванны приводит к образованию илистого осадка, состоящего из смеси порошков коллоидной дисперсности меди и окиси железа. Мельчайшие частицы окиси железа покрывают обрабатываемую поверхность тонким, прочным и гладким, как зеркало, трудно отделимым слоем. Удаление такого слоя производят в 10%-ной щавелевой кислоте при 820С;

регенерация раствора не всегда экономична, поэтому происходят значительные потери меди и хлорного железа;

мала скорость травления и последующей отмывки от травителя.

Другим травильным раствором может быть азотная кислота HNO3, которая растворяет медь примерно в 6 раз быстрее хлорного железа при прочих равных условиях. Кроме того, азотную кислоту несложно регенерировать, не останавливая процесса травления.

Существенными недостатками азотной кислоты как травителя являются токсичность паров при травлении и разрушение гетинакса на фенольной смоле.

Хорошо регенерируемыми травильными растворами являются персульфат аммония и хлорная медь.

Рис. 3. Метод избирательного удаления металлического слоя с изоляционного основания при химическом растворении фольги: а - фольгированный листовой пластик; б - фольгированный листовой пластик с нанесённым защитным рисунком; в - печатная плата после травления; г - печатная плата с удалённым рисунком; 1 - фольга; 2 - слой клея; 3 - листовой пластик; 4 - защитный слой.

Нанесение позитивного защитного рисунка печатного монтажа перед травлением фольги. Вещество, из которого состоит слой защитного рисунка, должно быть, прежде всего, стойким к действию травителя, иметь плотное строение и прочно закрепляться на медной фольге, чтобы травитель не мог просочиться под слой.

Но, выполнив свою задачу, защитный слой должен быть, удалён с фольгой, так как он закрывает места будущей пайки. Следовательно, указанные выше свойства должны сочетаться с простотой полного удаления слоя после травления.

В любом случае нанесения защитного рисунка предполагается подготовка основания - механическая зачистка фольги и её обезжиривание известными способами.

В качестве защитного слоя применяют кислотоупорную краску (при сеткографическом способе и при декалькомании) или фотоэмульсию (при фотохимическом способе).

Сеткографический способ. Сеткографический способ на сегодняшний день является наиболее рентабельным для массового производства печатных плат с шириной линии и зазоров монтажного рисунка соединений не менее 0,5 - 1 мм. Для получения защитного слоя применяют кислотоупорную краску, наносимую на фольгу продавливанием краски резиновым скребком - рекелем через трафарет. Трафаретный негативный рисунок из прочной плёнки закреплён на сетке из натурального шёлка, имеющий 50 отверстий на 1 см длины. Отношение площади, занимаемой нитями, к суммарной площадки отверстий составляет 1:1. Для того чтобы нити в сетке не смещались, применяют полугазовое перевивочное переплетение.

Равномерно натянутая сетка с трафаретным рисунком устанавливается с зазором 1-2 мм от поверхности фольги для того, чтобы контакт сетки с фольгой был только в зоне нажатия ракелем, т.е. только в том месте, где продавливается краска.

Получаемый слой на фольге отличается рельефностью (толщина около 50 мк) и высокими кислотоупорными свойствами.

После травления краска удаляется органическим растворителем, например уайт-спиритом. При использовании для этого технического четырёххлористого углерода, который хорошо снимает краску, могут возникнуть затруднения при пайке, так как в техническом CCl4 иногда содержится 1% CuS2, и поэтому на медной фольге может образоваться чёрный налёт CuS.

Пересушенный слой краски, не смытый в течении нескольких часов с момента нанесения, можно удалить только раствором едкого натра, но он вредно действует на гетинакс.

Способ декалькомании. Этот способ позволяет свести к минимуму оборудование технологического участка печатных схем на радиотехническом предприятии, максимально упростив технологию получения защитного рисунка.

Для этого заказывают в типографии отпечатать на бумаге позитивные рисунки монтажных соединений в натуральную величину и в количестве, равном числу требуемых печатных плат. Печатать необходимо на непроклееной бумаге, с той её стороны, на которую предварительно нанесён сплошной фон водорастворимой или легкоплавкой краски. Затем полученные отпечатки накладывают на фольгу основания рисунком вниз, бумагу прижимают к фольге, нагревают или смачивают водой, чтобы размягчить фоновый слой и отделить бумагу от рисунка, который остаётся на фольге.

Способ декалькомании позволяет заготовить впрок любое количество рисунков печатных схем, типографская печатная машина может делать до 1000 оттисков в час.

Важно отметить, что в этом случае легко применим групповой метод получения печатных оснований, когда на полном листе фольгированного гетинакса размещают большое число оттисков, тем самым значительно сокращая отходы при штамповке на припуск на закраины вокруг каждого основания. Такие припуски обычно необходимы для закрепления оснований и устранения подтровливания с торцов. В данном случае нарезку оснований из листа производят после травления.

Отпечатки на бумаге контуров получают более чёткими, чем при офсетной печати непосредственно на фольгу.

Фотохимический способ. Фотоспособ нанесения позитивного защитного рисунка печатного монтажа даёт наибольшую точность и чёткость линий. Эти достоинства оправдывают некоторую сложность технологии.

В крупносерийном производстве этот способ экономически оправдан при ширине линий и просветов от 0,1 до 0,5 мм.

В качестве кислотоупорного слоя применяют фотоэмульсию, которая позволяет получить позитивный защитный рельеф рисунка монтажных соединений. Содержащийся в эмульсии бихромат аммония (NH4)2Cr2O7 разлагается под действием света. Наиболее интенсивное воздействие оказывает ультрафиолетовая часть спектра с длиной волны около 300 ммк. Образующиеся при разложении окислы хрома окисляют органическое вещество, входящее в состав эмульсии (поливиниловый спирт, альбумин, желатин и др.). Происходит полимеризация (дубление) этого органического вещества. Засвеченные участки не набухают, а незасвеченные растворяются в воде при промывке (проявлении).

Для удобства визуального наблюдения за процессом проявления ему должно предшествовать окрашивание всей эмульсии каким-либо анилиновым красителем.

Типичный рецепт эмульсии для получения защитного рисунка фотоспособом следующий.

Приготовляют порознь два раствора: - содержащий 80 г/л поливинилового спирта, растворённого на водяной бане в течение суток, и - 20%-ный раствор бихромата аммония (NH4)2Cr2O7.

Растворы и сливают вместе в равном количестве перед самым поливом эмульсии на обрабатываемую поверхность.

Для получения равномерного по толщине слоя производят центрифугирование оснований, политых эмульсией, размещая их так, чтобы центробежные силы были приложены вдоль поверхности и вызывали растекание плёнки. Для лучшего растекания эмульсии перед поливом нагревают на водяной бане до 40-500 С. Слой эмульсии, наносят дважды. Эмульсию нельзя пересушивать, так как иначе проявление будет затруднено.

Признаком нормально высушенной эмульсии является сохранение влажности краями эмульсионного слоя, где он имеет наплывы.

Фоточувствительность эмульсии невелика, но прямого попадания света следует избегать. Для экспонирования применяют ртутно-дуговые лампы. Время экспонирования около 5 мин. Нельзя допускать нагрева плат от источника света.

Нагрев, через который производят экспонирование, должен быть выполнен с максимальной точностью. Для этого целесообразно вычертить рисунок печатного монтажа в большом масштабе, например 10:1, и сфотографировать его на репродукционную фотопластинку. Тем самым все случайные погрешности при вычерчивании будут уменьшены в 10 раз.

Проявление производят путём обработки тонкими струями горячей воды (80°С), вымывающими незасвеченные участки эмульсии.

Усиление кислотоупорности достигают дополнительным дублением оставшегося защитного слоя в растворе хромового ангидрида CrO3 (50 г/л) в течение двух минут и тепловой полимеризацией путём инфракрасного облучения.

Технологичность конструкции ДППдм тем выше, чем больше соединений приходится на ДПП и меньше - на проводное исполнение. На одно соединение, выполняемое роботом, требуется 3 с. Дополнительный проводной монтаж производится при помощи укладочной головки манипулятора робота со шпулей с изолированным проводом типа ПЭВТЛК (диаметр меди 0,12 мм). Этот провод не требует механической зачистки изоляции, она оплавляется от импульсно нагреваемого электрода головки и выполняет флюсующую роль при одновременно протекающей пайке провода к контактной площадке. Манипулятор робота имеет цифровое программное управление и перемещается по программе от одной контактной площадки к другой. Контактные площадки для дополнительного проводного монтажа в печатном рисунке ДПП должны быть размером 0,80,5 мм. Благодаря наличию изоляции на проводе при укладке допускается пересечение проводов друг с другом и с печатными проводниками платы. Доза припоя, необходимая для пайки, должна быть заранее нанесена на контактные площадки (путём сеткографического нанесения паяльной пасты) и затем оплавлена инфракрасным облучением.

Укладочная головка робота выполняет следующие операции: прокладывает провод и закрепляет его путём натягивания между заданными точками, осуществляет пайку с одновременным освобождением провода от изоляции в месте пайки, отрезает провод. Производительность робота при выполнении проводного монтажа на ДППдм составляет 200 шт. за смену для платы размером 170150 мм, рассчитанной на 20 перемычек (эквивалент по топологии, выполненный на МПП, содержит четыре слоя, и его производственная технологичность, приведённая к трудоёмкости изготовления, в три раза ниже).

После укладки весь дополнительный, проводной монтаж, располагаемый с одной стороны платы, лакируется, что превышает его в монолитный слой толщиной около 0,4 мм, связанный с основанием ДПП в единое целое.

Технологичность конструкции МПП зависит главным образом от межслойных соединений. Неудовлетворительные контакты в межслойных соединениях могут снизить выход годных изделий до нуля, что свидетельствует о недостаточности конструкции МПП. Другим недостатком МПП является неприспособленность конструкции к внесению изменений в топологию. Трудоёмкость разработки топологии МПП достигает в среднем 250 нормо-часов. После завершения топологических работ, изготовления оригиналов, рабочих фотошаблонов, программных перфолент для сверлильных станков сложно вносить какие либо, даже самые незначительные изменения в топологию МПП. Изменение одной печатной соединительной линии почти равносильно новой разработке технологической оснастки. РЭА средней сложности содержит около 50 наименований МПП. Можно представить, к какой дополнительной трудоёмкости и задержкам по срокам приводит такая неприспособленность конструкции МПП к внесению изменений. Тем более отчетливо выявляются преимущества конструкции ДППдм, где изменения требуют, как правило, лишь смены перфоленты робота, выполняющего укладку проводного монтажа.



3. Безотказность и сохраняемость печатных узлов при климатических воздействиях

печатный плата рисунок плотность

Безотказность при температурных воздействиях. Безотказность частей РЭА 1-го структурного уровня, находящихся под защитой кожуха и других несущих конструкций высших уровней, сводится, по существу, к безотказность в условиях воздействия двух главных факторов: тепла (холода) и влаги. Действие температуры проявляется не только во время эксплуатации, но и при сборке печатных узлов с пайкой на волне припоя при температуре до 2500С. Во время эксплуатации перепады температуры = 80 К с медленным прогревом или охлаждением печатного узла являются обычным явлением.

Наиболее слабым местом, вызывающим отказы под воздействием температуры, является соединение металла с металлом в сложной структуре ПП, особенно металла внутренних слоёв МПП со слоем металлизации в отверстии. Температура оказывает разрушительное действие из-за существенного различия в температурном коэффициенте расширения (ТКР) металла и пластмассы, входящих в структуру ПП. Действительно, ТКР стеклотекстолита 46·10-6 К-1, меди 16·10-6 К-1.

В результате получаем в паре медь - стеклотекстолит ТКР = 30·10-6. На длине 170 мм при температурном перепаде = 80 К смещение слоёв меди и стеклотекстолита относительно друг друга составит l = ТКР l = 30·10-6 170·80 = 0,4 мм.

Если принять во внимание, что в печатном узле соединитель большим числом выводов впаян в плату посередине её длинны 170 мм, то естественно представить указанное расширение распространяющимся от центральной оси влево и вправо. Тогда смещение концов длинной стороны ПП будет по 0,2 мм. В действительности смещение слоёв не произойдёт благодаря высокой адгезии между слоями и текучести материала. Однако текучесть материала сопровождается (точнее, вызывается) внутренними механическими напряжениями, которые, локализуясь у неоднородностей (например, у сквозных контактных узлов), могут вызвать их разрушение.

Эффективным направлением конструирования с целью повысить безотказность печатных узлов при температурных воздействиях является, во-первых, ограничение габаритных размеров ПП типоразмером 170150 мм и, во-вторых, переход от МПП, где это возможно, к ДППдм.

Защита от влаги с помощью покрытия. Второй климатический фактор, воздействующий на печатный узел и приводящий к отказам, - влага. Если конструктор не примет защитных мер, то через несколько месяцев хранения во влажной атмосфере незащищённый печатный узел будет повреждён и вскоре после включения его возникает отказ. Причиной будет чувствительный к влаге элемент - нелакированная ПП.

Механизм повреждения ПП под действием влаги вызван планарностью конструкции, где промежутки между отдельными проводниками заполнены материалом основания. В условиях незначительной влажности и постоянной температуры, предотвращающих адсорбцию влаги на поверхности, и при отсутствии пыли такая поверхность обладает высоким сопротивлением изоляции и малыми токами утечки. При повышенной влажности, перепадах температуры, при наличии пыли и спор плесневых грибов изоляционная поверхность покрывается адсорбционным слоем влаги и загрязнений. Слой характеризуется ионной проводимостью, и уже он, а не исходный диэлектрический материал основания определяет электрическую прочность межэлектродного промежутка, токи утечки, диэлектрические потери. После пайки с флюсом его следы на поверхности ПП, самые незначительные, сохранившиеся после промывки в порах основания, растворяются постепенно в адсорбционном слое, увеличивая точки утечки на три-четыре порядка. При включении такого печатного узла под напряжение возникает электролитический процесс, приводящий к отказу аппаратуры.

После нанесения золотого или серебряного покрытия на печатные проводники, что часто практикуется зарубежными фирмами с целью улучшить коррозионную стойкость и паяемость, опасно образование дендритов на проводнике, играющем роль катода, при наличии ионов хлоридов и других галогенов. Рост дендритов, опасных возможностью замыкания в узком промежутке, сопровождается образованием комплексов ионов золота и серебра с группой OH, коллоидных сгустков размером около 1 нм и электролитическим растворением металла покрытия со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Защита от влаги, а также от опасных механических повреждений предусматривается конструктором в виде покрытия печатного узла после сборки слоем лака. Органическое покрытие создаёт барьер воздействию влаги и загрязнений на межэлектродный диэлектрик, предохраняет тонкие печатные проводники от разрушающих царапин, полезно влияет на резонансные механические свойства ПП как упругой пластины. Такое защитное покрытие неизбежно повышает собственную ёмкость на 20-30%, и это следует учитывать при расчётах схем.

Слой лака или органического компаунда проницаем для влаги в неблагоприятных условиях при длительном (30 суток) воздействии. Неблагоприятными условиями являются наличие на поверхности компаунда ионных примесей, термоциклирование, приложение питающего постоянного напряжения. В таких условиях сквозь слой медленно диффундируют молекулы влаги и ионы галогенов. Диффузия длится десятки суток и поэтому опасна преимущественно при длительном воздействии влаги. Если влага воздействует непрерывно не более нескольких часов и этот период сменяется прогревом с полным удалением влаги с поверхности защитного слоя, то диффундирующие молекулы H2O не успевают достичь поверхности изделия и не возникает условий для осмоса.

Решающее значение перед лакировкой имеет подготовка поверхности, состоящая из двух операций: тщательной отмывки от остатков флюса и загрязнений, появившихся при сборке, и сушки, причём сушка должна производиться непосредственно перед нанесением покрытия, чтобы исключить образование адсорбционного слоя влаги под покрытием и повысить адгезию.

Для влагозащитного покрытия печатного узла конструктор должен назначать материалы без растворителей, наносимые однократно путём распыления расплава или порошка с последующим оплавлением. При использовании лака с растворителем плёнка после сушки имеет повышенную микропористость, вызванную улетучиванием растворителя. Лак с растворителем должен наноситься дважды с промежуточной сушкой, чтобы перекрыть поры, что удваивает трудоёмкость операции влагозащиты печатного узла, т.е. снижает технологичность.

Материал покрытия должен обеспечить высокую адгезию и эластичность (большое относительное удлинение) плёнки после нанесения. Если адгезия лака к материалам, входящим в состав печатного узла, окажется слабой (хотя бы к одному из материалов), то со временем под действием температурных перепадов и влаги окружающего воздуха в отдельных местах покрытия образуются макропоры и щели. Они будут капиллярно засасывать влагу. При недостаточной эластичности покрытие в условиях температурных перепадов будет разрывать тонкие печатные проводники под действием внутренних механических напряжений. Внутренние механические напряжения возникают в покрытии по двум причинам: при усадке во время полимеризации, так как полимер приобретает более компактную пространственную структуру (при нанесении мономерного раствора в виде лака), и при температурных изменениях как следствие различия температурных коэффициентов покрытия и покрываемых материалов. В зависимости от конкретного участка печатного узла напряжения могут вызвать деформации сжатия, изгиба или кручения. Чем эластичнее материал покрытия, тем эти напряжения лучше демпфируются. При отрицательных температурах эластичность, как правило, ухудшаются, что увеличивает опасность растрескивания покрытия и вероятность отказа.



4. Безотказность ПУ при механических воздействиях

Снижение коэффициента передачи вибрации в печатном узле. Коэффициент передачи вибрации есть отношение амплитуд колебаний на выходе и входе системы при заданной частоте. Для ПП входом системы являются края платы, закреплённые в рамке модуля. Именно в этих местах механические колебания от рамки передаются на плату. Выходом колебательной системы является область, наиболее удалённая от краёв, т.е. центр платы. Коэффициент передачи может достигать 100: это означает, что при амплитуде входных колебаний, передаваемых от каркаса блока, равной 20 мкм, амплитуда в центре платы достигает 2 мм. Правда, указанное значение коэффициента передачи наблюдается для ПП без покрытия и с малым числом навесных ЭРЭ.

Вибрационная деформация может вызвать излом проволочных выводов ЭРЭ, разрыв паяных швов, разрыв тонких печатных проводников. Чтобы оценить опасность прогиба в центре при вибрации, необходимо соотнести стрелу прогиба ПП с узлом изгиба её. Чем больше угол изгиба, тем выше опасность повреждения. При одной и той же стреле прогиба y угол изгиба короткой стороны () будет, естественно, больше, чем для длинной (), поэтому оценку опасности производят сравнением стрелы прогиба с длиной короткой стороны b, задаваясь эмпирическим коэффициентом, выбираемым исходя из условия, что стрела прогиба должна составлять не более двух процентов длины короткой стороны, т.е. y0,02 b. Например, стрела прогиба yмакс. =3 мм для типоразмера 170150 мм и yмакс. =1,5 мм для типоразмера 17075 мм.

Для защиты модуля от повреждающих деформаций необходимо защитить самый слабый элемент модуля - ПП. С этой целью надо снижать коэффициент передачи вибрационной системы и повышать собственную резонансную частоту ПП fр, выводя её за пределы частотного диапазона вынужденных колебаний, подаваемых на вход ПП от вибрирующего каркаса блока РЭА.

Чтобы оценить роль защитного покрытия, рассмотрим его влияние не и fр.

Известно, что коэффициент передачи обратно пропорционален жёсткости пластины:

~ D -1, которая, в свою очередь, в сильной степени (кубической) зависит от толщины пластины и линейно - от модуля упругости материала:

,

где D - жёсткость пластины, Н/м; E - модуль упругости материала пластины, Па; h - толщина пластины, м; - коэффициент Пуассона.

После пайки ЭРЭ и нанесения защитного покрытия полученный печатный узел (УП) становится сложным по структуре и составу композиционным телом, которое по значениям

h и E сильно отличается от стеклотекстолитового основания. Толщина пластины возрастает примерно в пять раз (после монтажа ИС), что повышает жёсткость в 125 раз. Модуль упругости печатного узла после сборки и лакировки лежит в пределах:

Ec < EУП < Eo

где Ec - модуль упругости материала защитного слоя; Eo - модуль упругости стеклотекстолита (Eo = 30 ГПа).

На практике Ec Eo. Отсюда следует, что после монтажа и лакировки модуль упругости уменьшается в несколько раз, что уменьшает во столько же раз жёсткость. Суммарное воздействие обоих факторов приводит к увеличению жёсткости примерно в 25 раз. Следовательно, во столько же раз падает коэффициент передачи вибрационной системы, что удовлетворительно.

Правило октавы. Резонансная частота пластины, закреплённой по корпусу, определяется выражением (при распределённой нагрузке)

fр = , (3-1)

где a и b - соответственно длина и ширина ПП, м; m - масса пластины с навесными элементами, кг; g - ускорение свободного падения, g = 9,8 м/с2.

Важно, чтобы резонансная частота ПП отличалась от частоты вынужденных колебаний на входе по крайней мере вдвое (правило октавы). При этом исключается вхождение в резонанс, опасный в рассматриваемой вибросистеме с последовательным соединением упругих масс. Если частоты соединённых упругих масс недостаточно разнесены, то амплитуда колебаний, поступающих от рамы блока через корпус модуля на ПП, при резонансе возрастает в число раз, равное квадрату коэффициента передачи, так как выход первой системы является входом второй.

Из формулы (3-1) следует, что масса ПП, возрастающая после пайки ЭРЭ и лакировки в пять-шесть раз, и жёсткость, возрастающая в 25 раз, приводят к увеличению резонансной частоты примерно вдвое, что удовлетворяет правилу октавы.

При малом числе навесных ЭРЭ и тонком слое лака возможно увеличение жёсткости конструкции путём наклеивания ребра жёсткости. Ребро жёсткости должно проходить через центр и располагаться параллельно короткой стороне. Тот же эффект может быть получен введением дополнительной центральной точки крепления ПП.

При оценке вибропоглощающих и частотоизменяющих свойств защитного слоя в интервале рабочих температур необходимо учесть характер изменения модуля упругости материала защитного слоя. Органические материалы, используемые для защитных слоёв, значительно повышают модуль упругости при охлаждении, поэтому область отрицательных температур в этом отношении не является опасной. В области положительных температур модуль упругости органических материалов снижается, но остаётся, как показывает практика, в пределах до 0,2 Eo. Следовательно, оговоренное ранее условие не нарушается.

При выборе материала для вибропоглощающего и частотоизменяющего слоя необходимо стремиться к снижению его плотности для того, чтобы обеспечивать выполнение правила октавы согласно выражению (3-1): чем меньше масса, тем легче выполнить правило октавы.

Выбор конструктивных элементов электронного модуля. Этот выбор должен быть подчинён двум задачам: прочной фиксации модуля в блоке и надёжному закреплению печатного узла в модуле. Электронные модули в блоках устанавливаются вертикально, обеспечивая условия для конвективного теплоотвода. Расстояние между соседними модулями, измеряемое между воображаемыми плоскостями, проходящими через наиболее выступающие точки противолежащих ЭРЭ, рекомендуется выбирать равным 5 мм.

Рис. 4. Рама с приливами для крепления печатного узла.



Конструктивное оформление модуля для выдвижного блока и модуля в блоке книжной конструкции различно, но в обоих, конструктивной основой является рама из алюминиевого сплава, полученная литьём под давлением. Рама для модуля, входящего в выдвижной блок, имеет несколько приливов различного назначения (рис. 3-10). Для крепления печатного узла предусмотрены приливы с отверстиями, для крепления модуля в блоке - приливы под штыриловители и приливы с резьбовыми отверстиями.

Рама модуля должна очень плотно закрепляться в блоке, что необходимо не только для механической фиксации, но и для минимального теплового сопротивления между модулем (источником тепла) и каркасом блока (бесконечным радиатором). Элемент фиксации имеет форму клина, что позволяет полностью выбирать зазор при завинчивании стопорного винта.

Модуль для блока книжной конструкции имеет раму с приливами для шарнирного соединения модуля в блоке вдоль вертикальной оси, а также отверстия для крепления модуля с помощью винтов. Печатный узел в такой раме крепится на заклёпках.

При закреплении в одной раме двух печатных узлов соединения между ними выполняются с помощью гибкого печатного кабеля.

Ответственным элементом конструкции модуля является соединитель. На модуле устанавливается одна часть соединителя, чаще - вилка, а в блоке выдвижного типа - ответная часть соединителя, розетка. Чтобы обеспечить требуемую высокую кинематическую точность сочленения при вдвигании модуля в блок, предусмотрены две группы штырей - ловителей. Первая группа ловителей, выдвинутая вперёд на 3-5 мм, даёт первичную ориентацию модулю и подготавливает приближающуюся конструкцию к вхождению во вторую группу ловителей. После полного вставления друг в друга обеих частей соединителя модуль фиксируется с помощью невыпадающих винтов.

В раме модуля предусматривается ключ - конструктивный элемент, исключающий возможность неправильной вставки модуля в блок. Для извлечения модуля из блока может быть предусмотрен съёмник - специальный инструмент. Его вводят в конструкцию, когда по условиям эксплуатации должны быть приняты особые меры против проведения ремонта персоналом, не выделенным для этой работы специально.

...