Конструкторско-технологическое проектирование печатной платы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Данный курсовой проект состоит из: Конструкторско-технологическое проектирование ПП, проектирование заготовительных операций ТП изготовления ПП, организация производства ПП.



1. Общие сведения о печатных платах

Печатные платы - это элементы конструкции, которые состоят из плоских проводников в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение элементов электрической цепи. Они получили широкое распространение в производстве модулей, ячеек и блоков РЭА благодаря следующим преимуществам по сравнению с традиционным объемным монтажом проводниками и кабелями:

* повышение плотности размещения компонентов и плотности монтажных соединений, возможность существенного уменьшения габаритов и веса изделий;

* получение печатных проводников, экранирующих поверхностей и электро- и радиодеталей (ЭРЭ) в одном технологическом цикле;

* гарантированная стабильность и повторяемость электрических характеристик (проводимости, паразитных емкости и индуктивности);

* повышение быстродействия и помехозащищенности схем;

* повышенная стойкость и климатическим и механическим воздействиям;

* унификация и стандартизация конструктивных и технологических решений;

* увеличение надежности узлов, блоков и устройства в целом;

* улучшение технологичности за счет комплексной автоматизации монтажно-сборочных и контрольно-регулировочных работ;

* снижение трудоемкости, материалоемкости и себестоимости.

К недостаткам следует отнести сложность внесения изменений в конструкцию и ограниченную ремонтопригодность.



1.1 Основные определения и технологические требования к печатным платам

Элементами ПП являются диэлектрическое основание, металлическое покрытие в виде рисунка печатных проводников и контактных площадок, монтажные и фиксирующие отверстия.

Диэлектрическое основание должно быть однородным по цвету, монолитным по структуре и не иметь внутренних пузырей и раковин, посторонних включений, сколов, трещин и расслоений

Проводящий рисунок ПП должен быть четким, с ровными краями, без вздутий, отслоений, подтравливания, разрывов, темных пятен, следов инструмента и остатков технологических материалов.

Монтажные и фиксирующие отверстия должны быть расположены в соответствии с требованиями чертежа и иметь допустимые отклонения, определяемые классом точности ПП. Для повышения надежности паяльных соединений внутреннюю поверхность монтажных отверстий покрывают слоем меди толщиной не менее 20..25 мкм. Покрытие должно быть сплошным, без включений, пластичным, с мелкокристаллической структурой и прочно сцепленным с диэлектрическим основанием. Оно должно выдержать токовую нагрузку 250 А/мм2 в течение 3 с при нагрузке на контакты l...l,5 Н и четыре (для МПП--три) перепайки выводов без изменения внешнего вида и отслоений.

Контактные площадки представляют собой участки металлического покрытия, которые соединяют печатные проводники с металлизацией монтажных отверстий. Их площадь должна быть такой, чтобы не было при сверлении и остался гарантийный поясок меди шириной не менее 50 мкм.

Разрывы контактных площадок не допускаются, так как при этом уменьшаются токонесущая способность проводников и адгезия к диэлектрику. Контактные площадки монтажных отверстий должны равномерно смачиваться припоем за время 3...5 с и выдерживать не менее трех (МПП--двух) перепаек без расслоения диэлектрика, вздутий и отслаивания.

· Для повышения коррозионной стойкости и паяемости наносится электролитическое покрытие, которое должно быть без разрывов, подгаров и отслоений. При наличии на проводниках критических дефектов допускается дублировать их объемными, но не боле 5 для плат 120x180

и 10 проводников для плат свыше 120x180.

· При циклическом воздействии температуры допускается изменение сопротивления не более чем на 10%.

· Сопротивление изоляции не должно быть менее 30 000 МОм при Т=25 ОС, влажности 46..84%, давлении 96..100 КПа, при расстоянии 0.2..0.4 мм между проводниками.

· Электрическая прочность 700 вольт в нормальных условиях и 500 вольт после воздействия в течении 2 суток Т=40 ОС и влажности 90..96%.

· При воздействии на печатную плату Т=260..290 ОС в течении 10 секунд не должно быть разрывов проводников и отслоений.

1.2 Классификация печатных плат

По количеству слоев проводящего материала:

1. Односторонние (ОПП) - выполняются на слоистом основании без металлизации или с металлизацией монтажных отверстий.

2. Двусторонние (ДПП) - имеют проводящий рисунок на обеих сторонах диэлектрического или металлического основания. Электрическая связь слоев печатного монтажа осуществляется с помощью металлизации отверстий.

3. Многослойные (МПП) - состоят из чередующихся слоев изоляционного материала и проводящего рисунка, соединенных клеевыми прокладками в монолитную структуру путем прессования. Электрическая связь между проводящими слоями выполняется специальными объемными деталями, печатными элементами или химико-гальванической металлизацией

По гибкости:

1. Жёсткие

2. Гибкие - оформлены конструктивно как ОПП или ДПП, но выполняются на эластичном основании толщиной 0,1... 0,5 мм. Они применяются в тех случаях, когда плата после изготовления подвергается вибрациям, многократным изгибам или ей после установки ЭРЭ необходимо придать компактную изогнутую форму. Разновидностью ГПП являются гибкие печатные кабели (ГПК), которые состоят из одного или нескольких непроводящих слоев с размещенными печатными проводниками. Толщина ГПК колеблется от 0,06 до 0,3 мм. Они широко применяются для межсоединений узлов и блоков РЭА, так как занимают меньшие объемы и легче круглых жгутов и кабелей, а их производство может осуществляться непрерывно на рулонном материале.

По технологии монтажа:

1. Для монтажа в отверстия

2. Для поверхностного монтажа

1.3 Методы изготовления печатных плат

Основные технологические принципы изготовления печатных плат:

1.субтрактивный;

2.аддитивный;

3.полуадцитивный, сочетающий преимущества субтрактивного и адитивного методов;

4.комбинированный.

Субтрактивные методы

Субтрактивный метод наиболее освоен и распространен для простых и очень сложных конструкций печатных плат. Собственно, с него исторически начиналась индустрия печатных плат. В качестве исходного материала используются фольгированные (в основном медью) изоляционные материалы. После переноса рисунка печатных проводников в виде стойкой к растворам травления пленки на фольгированную основу, незащищенные ею места химически стравливаются. Защитную пленку наносят методами полиграфии: фотолитографией, трафаретной печати и др. При использовании фотолитографии, защитная пленка формируется из фоторезиста материала, осаждаемого через фотокопию печатного рисунка -- фотошаблон. При трафаретной печати используют специальную, химически стойкую краску, называемую трафаретной.

Химический метод

Субтрактивный метод, в чистом виде, реализуется в производстве односторонних печатных плат, где присутствуют только процессы селективной защиты рисунка проводников и стравливания металла фолыированных диэлектриков с незащищенных мест.

Схема стандартного субтрактивного (химического) метода изготовления односторонних печатных плат:

- вырубка заготовки;

- сверление отверстий;

- подготовка поверхности фольги (дезоксидация), устранение заусенцев;

- трафаретное нанесение кислотостойкой краски, закрывающей участки фольги) неподлежащих вытравливанию;

травление открытых участков фольги;

- сушка платы; нанесение паяльной маски;

- горячее облуживание открытых монтажных участков припоем;

- нанесение маркировки;

- контроль.

Преимущества:

возможность полной автоматизации процесса изготовления; высокая производительность; низкая себестоимость.

Недостатки:

- низкая плотность компоновки связей; - использование фольгированных материалов;

- наличие экологических проблем из-за образования больших объемов отработанных - травильных растворов.

Механическое формирование зазоров (оконтуривание проводников)

Вместо химического травления, изоляционные зазоры между проводниками можно формировать механическим удалением при помощи режущего инструмента. Для изготовления односторонних печатных плат можно обойтись всего одним станком с ЧПУ, позволяющим по программе сверлить сквозные отверстия и скрайбировать зазоры.

Скрайбирование обычно ведется коническими фрезами с углом при вершине 60 или 30 градусов (в ряде случаев - менее 18 градусов). Для получения стабильной ширины контурной канавки необходимо строго контролировать глубину врезания фрезы в заготовку. Не плоскостность подложки, неравномерный прижим заготовки к рабочему столу могут привести к разбросу ширины реза. Именно поэтому сверлильно-фрезерные станки должны иметь специальные прижимные головки, принудительно выравнивающие заготовки плат в плоскость стола станка.

Метод отличается коротким технологическим циклом изготовления, малой капиталоемкостью, не создает экологических проблем. Он очень удобен для изготовления полноценных экспериментальных образцов монтажных подложек. Но образцы плат получаются дороже (большой расход фрез), чем изготовленные химическим методом. Поэтому и из-за большого ритма выпуска (плата изготавливается более, чем 4 часа) этот метод не годится для серийного производства.

Чтобы избежать необходимости химических процессов металлизации отверстии, при изготовлении печатных плат методами скрайбирования и фрезеровки используют примитивные методы соединения двух сторон.

При скрайбировании контура проводников фрезы неизбежно вспарывают стеклоткат диэлектрика, что повышает его восприимчивость к загрязнениям. Поэтому такие платы требуют повышенного внимания к последующим процессам защиты поверхности от воздействия внешних сред паяльной маской или специальной пропиткой, не мешающей пайке, или лакировкой после монтажа.

Лазерное гравирование

Ультрафиолетовые лазеры способны испарять медь фольги и минимально травмировать диэлектрическую подложку Это позволяет использовать их для гравирования контуров проводников. Современное оборудование, предназначенное для этой цели, сочетает в себе две лазерных головки: СО^л-лазер и УФ-лазер, которые попеременно сверлят сквозные и глухие отверстия и гравируют пробельные места плат.

Лазерные методы прямого формирования рисунка высокопроизводительны, воспроизводят рисунок с разрешением проводник/зазор = 0,05/0.05 мм. Но пока это оборудование слишком дорого для повсеместного использования.

Аддитивные методы.

Эти методы предполагают использование не фольгированных диэлектрических оснований, на которые тем или другим способом, избирательно (там, где нужно) наносят токопроводящий рисунок. Разновидности метода определяются способами металлизации и избирательное металлизации.

Токопроводящие элементы рисунка можно создать:

- химическим восстановлением металлов на катализированных участках диэлектрического основания (толстослойная химическая металлизация - ТХМ);

- переносом рисунка, предварительно сформированного на металлическом листе, на диэлектрическую подложку (метод переноса);

- нанесением токопроводящих красок или паст или другим способом печати; - восстановительным вжиганием металлических паст в поверхность термостойкого диэлектрического основания из керамики и ей подобных материалов;

- вакуумным или ионно-плазменным напылением;

- выштамповыванием проводников. Избирательность осаждения металла можно обеспечить:

- фотолитографией (через фотошаблон) фоторезиста, закрывающего в нужных местах участки поверхности основания, неподлежащие металлизации (для метола толстослойной химической металлизации - ТХМ);

- избирательным фотоочувствлением (через фотошаблон или сканирующим лучом) катализатора, предварительно нанесенного на всю поверхность основания (для фото- аддитивного метода ТХМ);

- трафаретной печатью (для паст и красок)

- масочные защиты (для вакуумной и ионоплазменной металлизации).

Фото-аддитивный процесс.

Схема процесса фото-аддитивной технологии (как пример одного из вариантов аддитивного метода):

- вырубка заготовки;

- сверление отверстий под металлизацию;

- нанесение фото-активируемого катализатора на все поверхности заготовки и в отверстия;

- активация катализатора высокоэнергетической экспозицией через фотошаблон- негатив;

- толстослойное химическое меднение активированных участков печатной платы (печатных проводников и отверстий);

- отмывка платы от остатков технологических растворов и реактивированного катализатора;

- глубокая сушка печатной платы; - нанесение паяльной маски; - нанесение маркировки; - обрезка платы по контуру;

- электрическое тестирование;

- приемка платы -- сертификация.

Преимущества:

- использование нефольгированных материалов; - возможность воспроизведения тонкого рисунка.

Недостатки:

- длительный контакт открытого диэлектрика с технологическими растворами металлизации, ухудшающими характеристики электрической изоляции без дополнительных мер по отмывке;

- длительность процесса толстослойного химического меднения.

Аддитивный процесс.

Схема процесса аддитивной технологии с использованием фоторезиста: вырубка заготовки;

сверление отверстий под металлизацию;

- нанесение катализатора на всю поверхности заготовки и отверстий;

- нанесение и экспозиция фоторезиста через фотошаблон-позитив;

- проявление фоторезиста с обнажением участков поверхности платы с нанесенным катализатором;

- толстослойная химическая металлизация отверстий и проводников; нанесение маркировки;

- обрезка платы по контуру;

- электрическое тестирование;

- приемка платы -сертификация.

Преимущества:

- использование не фольгированных материалов; изоляционные участки платы защищены фоторезистом - изоляции не загрязняется технологическими растворами;

- фоторезист может оставаться на плате в качестве защитного покрытия.

Недостатки:

- длительный процесс толстослойной химической металлизации;

- необходимость использования фоторезиста, стойкого к длительному воздействию растворов химического меднения с щелочной реакцией.

Нанесение токопроводящих красок или металлонаполненных паст.

Главные проблемы этого метода:

создание в проводниках нужной проводимости, желательно соизмеримой с основным металлом; - возможность воспроизведения рисунка с хорошим разрешением; обеспечение паяемости.

Проблемы проводимости могут быть решены, при условии максимального удаления связующего, разделяющего металлические частицы, из объема краски или пасты. Наилучшим образом, это достигается при высоких температурах обработки. Но для этого требуются нагревостойкие диэлектрические основания, типа стекла (ситалл), керамики (стеатит). Нанесение проводников на органические основания менее успешны из-за их ограниченной нагревостойкости и связанными с этим трудностями в удалении связующего для сближения металлических частиц. Поэтому на органических подложках удается достичь 20% проводимости от чистого металла.

Вообще, чем выше температура обжига, тем лучше условия для обеспечения большей проводимости, силы сцепления с подложкой, паяемости. Наиболее удовлетворительные результаты получены с составами на основе серебра и связующего из мелкодисперсного низкоплавкого стекла (фритты). При обжиге, с подъемом температуры до 500...800°С улетучивается растворитель, выгорает органическое связующее и, наконец, плавится фритта. При охлаждении частички серебра прочно сцепляются в объеме стекла (фритты), которое, в свою очередь, прочно сцепляется с керамической подложкой. Проводимость

воженных проводников может достигать 95% проводимости чистого серебра.

Токопроводящую краску обычно наносят методом трафаретной печати, обеспечивая минимальную ширину проводника 0,8 мм при норме 1,5 мм. При этом формирование проводящего слоя в отверстиях связано с большими трудностями. Появилась возможность изготовления полноценных плат, в которых токопроводящие краски заполняют рельеф проводников и отверстий. Такой процесс можно считать полностью аддитивным. Схема его показана на рис. 1.7. Авторы утверждают, что эта технология способна воспроизводить проводники и зазоры шириной по 0,15 мм, отверстия диаметром 0, 5мм, в основании толщиной 0,4мм. Типичное время изготовления двусторонней платы -- 3...4 часа, 4-слойной -- 8... 10 часов,

Горячая запрессовка металлического порошка (тиснение).

Тонкодисперсная металлическая пудра (порошок) наносится на поверхность подложки опудриванием, пульверизацией, катафорезом, накатыванием или любым другим способом. Затем нагретым штампом с рельефом, соответствующим топологии схемы, порошок впрессовывается в основание подложки. На пробельных местах порошок не закрепляется и удаляется для использования. Штамп может одновременно вырубать отверстия и контур плат. Этот метод незаменим для массового тиража плат из дешевых материалов подложек: картона, листовых термопластичных и термореактивных пластмасс и др.

Штампование.

При этом способе, медную фольгу сматывают с ролей, покрывают соответствующим клеящим веществом и подают в автоматический штамповальный пресс, как показано на рис. 1.9. Фольга вырубается и впрессовывается в изоляционный материал острыми кромками штампа по периметру проводников. Нагретый штамп не только впрессовывает края фольги в изоляционный материал, но и расплавляет склеивающее вещество, благодаря чему обеспечивается прочное сцепление проводников с основанием. Температура нагрева "штампа зависит от используемого клеящего вещества и составляет приблизительно 110° С для термопластичных и 150°Сдля термореактивных смол. Время выстоя штампа при склеивании термостастичной смолой составляет примерно 2 сек. Для термореактивной смолы оно значительно больше (для окончательного отверждения). Поэтому для ускорения процесса, чтобы время выстоя штампа было минимальным, обеспечивают лишь закрепление фольги на подложке. После сверления отверстий, вырубки пазов, для разобщения цепей схема вновь нагревается под давлением до окончательного отверждения клеящего вещества.

Метод переноса.

К аддитивным процессам можно полноправно отнести и метод переноса. Один из перспективных вариантов реализации такого процесса с использованием электрохимического осаждения металлов (ПАФОС). В методе переноса проводящий рисунок создается на временных «носителях» - листах из нержавеющей стали, поверхность которых предварительное покрывается гальванически осажденной медью толщиной 2….5мкм.

По тонкому медному покрытию формируется защитный рельеф фоторезиста. Проводники получают гальваническим осаждением тонкого слоя никеля (2...3мкм) и меди (З0...50мкм) в рельеф фоторезиста. Затем фоторезист удаляют и проводящий рисунок на всю толщину впрессовывают в диэлектрик. Впрессованный рисунок проводников вместе с медной шиной механически отделяется от поверхности временных носителей. Таким образом, его переносят с металлического листа на диэлектрическую подложку. Отсюда название процесса - «метод переноса».

В слоях без межслойных переходов медная шина стравливается. При изготовлении двухсторонних слоев с межслойными переходами тонкая медная шина служит проводящим подслоем для электрохимического процесса металлизации отверстий.

Проводящий рисунок, утопленный в диэлектрик и сверху защищенный слоем никеля, не подвергается травлению при стравливании меди. Поэтому форма, размеры и точность ~ проводящего рисунка определяется рисунком рельефа в фоторезисте, то есть процессами фотолитографии.

Общая оценка аддитивных методов.

В большинстве аддитивных методов полностью отсутствуют процессы травления (удаления металла - субтракции), и, в этом смысле они экологически чистые, хотя другие, сопутствующие им процессы (отмывки от технологических загрязнений и растворов, избыточность растворов химической металлизации при их корректировках и т.п.) загрязняют промышленные стоки, но не в той мере, как субтрактивные технологии. И если все-таки процессы травления в них присутствуют (ПАФОС), то их объемы настолько незначительны, что они не создают серьезных экологических проблем.

Распространению аддитивных методов мешает ряд сложностей их использования: - нет возможности использовать высокопроизводительные процессы электрохимической металлизации элементов печатного монтажа на диэлектрическом основании из-за их электрической разобщенности. Это, правда, не относится к методу ПАФОС;

- толстослойная химическая металлизация (ТХМ) - сложный и низко производительный процесс, требующий управления по большому количеству параметров. При любых сбоях управления он способен разрушаться с большими издержками для производства. Мало того, этот процесс имеет большую длительность: для достижения приемлемой толщины осаждения (например, 25 мкм для меди) процесс длится часами. Надежность технологических и энергетических систем зачастую не позволяет выдерживать нужные режимы осаждения в течение этого времени;

- по всем (кроме чисто аддитивного процесса) схемам затруднена металлизация отверстий;

- токопроводящие пасты имеют повышенное сопротивление, от чего, по крайней, мере, цепи питания не могут быть реализованы приемлемыми ширинами проводников; напыление через маски требует их очистки от осевших на них металлов химическим стравливанием, что уравнивает их с субтрактивными методами; - штампы для тиснения металлического порошка и выштамповки проводников из фольги дорогие, так что они оправдывают себя только при объемах партии более десятков тысяч.

Полуаддитивные методы.

Полуаддитивные методы придуманы, чтобы избавиться от длительных и неустойчивых процессов ТХМ, заменив их на высокопроизводительные надежные электрохимические (гальванические) методы металлизации. Но для электрохимических методов металлизации электроизоляционных оснований нужен токопроводящий подслой. Его создают любым способом, удовлетворяющим требованиям по проводимости и прочности, сцепления с подложкой:

- химическим осаждением тонкого слоя (до 1 мкм) металла. Процесс тонкослойной металлизации длится не более 15 мин и не требует высокой технологической надежности;

- вакуумным напылением металла, в том числе магнетронным;

- процессами газотермической металлизации; - процессами термолиза металлоорганических соединений.

Уместно заметить, что для полуаддитивных методов неприемлемы процессы прямой металлизации, так как их использование связано с большим расходом катализатора, и возникают проблемы удаления проводящего подслоя из пробельных мест.

Классический полуадцитивный метод.

Поэтому методу диэлектрическая подложка металлизируется тонким проводящим слоем. По проводящему слою на подложку наносится и проявляется фоторезист или трафаретный рисунок из химически стойкой краски. В рельефе проявленного фоторезиста гальванически наращивается металл до толщин, обеспечивающих его механическую прочность и токонесущую способность проводников и отверстий (для меди - порядка 25...35 мкм). После этого защитные покрытия (фоторезист, краски) удаляются, в результате в пробельных местах обнажается тонкий проводящий подслой (порядка 1 мкм), который теперь не нужен и подлежит удалению для электрического разобщения элементов печатного монтажа. Стравливание такого тонкого подслоя (1 мкм) связано с гораздо меньшими затратами на очистку промышленных стоков, чем травление фольги (18...35 мкм). Мало того, стравливание тонкого слоя не создает такого подтравливания проводников, как для субтрактивных методов. Это означает, что при использовании полуаддитивных методов тонкие проводники и зазоры воспроизводятся гораздо лучше. Можно сказать, что разрешающая способность полуаддитивных методов соизмерима с возможностями используемых фоторезистов. Распространению полуаддитивных методов мешает слабая сила сцепления проводников с подложкой и химическая неоднородность поверхностей промышленных диэлектриков, заставляющие для их компенсации использовать сложные процессы подготовки (активации) поверхности. В противовес этому производители фольгированных материалов научились изготавливать материалы с ультратонкой фольгой, что снимает необходимость в использовании технологических операций металлизации поверхностей у производителей печатных плат, а для отверстий применять процессы прямой металлизации. Тем не менее, полуаддитивные методы незаменимы, когда необходимо по тем или иным причинам использовать не фольгированные диэлектрические подложки или получать тонкие проводники и зазоры (менее 0.1 мм).

Схема полуаддитивного процесса: - вырубка заготовки;

- сверление отверстий под металлизацию;

- нанесение тонкого проводящего подслоя (чаще - тонкослойная химическая металлизация медью толщиной до 1 мкм);

- усиление тонкого слоя металлизации -- гальваническая затяжка (до 6 мкм); - нанесение и экспонирование фоторезиста через фотошаблон-позитив; - основная гальваническая металлизация (до 25 мкм в отверстиях);

- гальваническое нанесение металлорезиста (олова, олова-свинца, олова-никеля, олова-кобальта, серебра, золота, никеля или др.); - удаление экспонированного фоторезиста;

- вытравливание тонкой металлизации (гальванической затяжки) с пробельных участков;

- стравливание металлорезиста на основе олова для последующего нанесения паяльной маски;

- гальваническое осаждение контактных покрытий на концевые ламели; - отмывка платы от остатков технологических растворов; - глубокая сушка печатной платы; - нанесение паяльной маски;

- нанесение финишных покрытий на монтажные элементы под пайку;

- нанесение маркировки;

- обрезка платы по контуру;

- электрическое тестирование;

- приемка платы ~ сертификация.

Преимущества:

- использование не фольгированных материалов; хорошее воспроизведение тонких проводников.

Недостатки:

- недостаточная адгезия металлизации к диэлектрической подложке; - контакт открытой поверхности диэлектрика с растворами металлизации приводит к его загрязнению и требует дополнительных усилий для обеспечения требуемых электроизоляционных свойств.

Аддитивный метод с дифференциальным травлением.

Этот процесс отличается от классического лишь тем, что в нем нет металлорезиста: для формирования рисунка используется разница в толщинах металлизации проводников (>30 мкм) и пробельных мест (< 6 мкм). Трудности реализации этого варианта аддитивного процесса состоят в необходимости создания равномерной толщины металлизации по всей поверхности заготовки. Иначе, где-то рисунок будет перетравлен, где-то не вытравлен. Такой равномерности по современным представлениям можно достичь, используя гальваническую металлизацию с реверсом тока и специальные для такой технологии выравнивающие добавки.

Преимущества:

- высокое разрешение рисунка;

- меньшие прямые расходы за счет отсутствия операции нанесения и удаления металлорезиста.

Недостатки:

- повышенные капиталозатраты для оснащения электрохимических операций; - сложность управления процессом дифференциального травления.

Рельефные платы.

Принципы изготовления рельефных плат можно без сомнений отнести к полуаддитивным методам, поскольку в их основе заложено использование не фольгированных подложек. Рельефные платы (РП) представляют собой диэлектрические основания, в которые углублены медные проводники, выполненные в виде металлизированных канавок, и сквозные металлизированные отверстия для монтажа выводов и соединения трасс на двух сторонах платы.

Авторами большинства распространенных конструкций и технологий РП в нашей стране являются русские изобретатели А.В. Богданов и Ю А. Богданов.

Один из наиболее распространенных методов изготовления РПП включает следующие основные операции:

Выполнение рельефа проводников -- углублений по трассам проводников и сверление отверстий. Если рельеф выполняется фрезерованием; сначала он выполняется на одной стороне: затем на другой. Сверление конусным сверлом с двух сторон платы; так что конусы сходятся, как показано на рисунке. Рельеф можно выполнить методами тиснения, прессования и литья.

Очистка поверхности РП. С целью обеспечения равномерности последующей химической металлизации поверхностям РП придают шероховатость.

Металлизация поверхностей и отверстий: химическое меднение или вакуумная металлизация толщиной 0,5... 1 мкм усиливаются гальваническим наращиванием меди до толщины 25...40 мкм.

Нанесение защитного резиста ~ покрытие всей поверхности, рельефа и отверстий металлизированной заготовки кислотостойкой защитной краской (жидкой спиртоканифольной смесью или нитрокраской, нитрошпаклевкой).

Удаление защитного резиста с пробельных мест (зернением, шлифованием). Защитная краска остается во всех углублениях - элементах проводящего рисунка. Обнажаются для травления пробельные места. Операция зернения обычно проводится в так называемых «зернильных установках» вибрирующих бункерах, в которые, кроме рельефной заготовки, помещены керамические шарики. Многочисленные удары шариков по заготовке «оббивают» краску с пробельных мест. Диаметр керамических шариков выбирают таким, чтобы удары не могли «выбить» краску из углублений рельефа и отверстий. Шлифование поверхности пробельных мест, как правило, производится с помощью вибрационных машин. Травление металла с пробельных мест. Удаление медного покрытия с незащищенных краской пробельных мест проводится в кислотных растворах, не растворяющих защитные краски. Лужение проводящего рисунка для обеспечения паяемости и защиты меди от окисления. Лужение производят путем погружения заготовки в ванну с расплавленным легкоплавким припоем.

Модификация этой последовательности операции предусматривает предварительную тонкослойную металлизацию рельефной заготовки и накатка краски на пробельные места. Это позволяет осуществить локальное гальваническое наращивание меди только в канавки и отверстия. После дополнительного гальванического осаждения металлорезиста в рельеф, удаляют краску с пробельных мест и стравливают медь с этих участков.

Комбинированные методы.

Комбинированные методы объединяют в себе все приемы изготовления печатных плат, необходимые для изготовления печатных проводников и металлизированных отверстий. Поэтому они называются комбинированными. В зависимости от последовательности операций формирования печатных проводников и металлизированных отверстий различают комбинированный позитивный метод (используются фотошаблоны -- позитивы) и комбинированный негативный (используются фотошаблоны - негативы).

Комбинированный негативный метод.

В негативном методе сначала вытравливаются проводники, и затем металлизируются отверстия. Метод возник, когда в производстве еще отсутствовали сверлильные станки с программным управлением, и платы были вынуждены сверлить вручную по рисунку схемы (по контактным площадкам). Поскольку после травления рисунка нужно было не только сверлить отверстия, но и их металлизировать, принимались меры для создания проводящего подслоя в отверстиях, но не на поверхности платы. Для этого перед сверлением плату покрывают защитной «лаковой рубашкой», сверлят через нее отверстия и химически металлизируют всю заготовку. Лаковую рубашку наносят так, чтобы она легко отслаивалась, и после ее удаления химически осажденный металл остается только в отверстиях. Поскольку рисунок схемы уже вытравлен, металлизированные отверстия, подлежащие электрохимической металлизации, не имеют электрического соединения с катодом гальванической ванны. Его создают или проводом, нанизывая на него все отверстия платы, или мягкими проводящими подушками, поддаваемыми воздухом или наполняемыми водой для надежного электрического контактирования по всей поверхности заготовки. Естественно, что подушки могут располагаться только с одной стороны платы, оставляя другую открытой для электролита металлизации. Чтобы обеспечить равномерность металлизации отверстий, в процессе осаждения заготовки меняют сторонами.

Недостатки метода:

- при металлизации отверстий открытые участки диэлектрического основания насыщаются химическими растворами и получают за счет этого повышенную проводимость. Надежность изоляции, реализуемая этим методом, - низкая; - для гальванической металлизации отверстий возникают большие затруднения для организации электрического контакта стенок отверстий с катодом гальванической ванны. Это обуславливает наличие заметного количества не прокрытых или плохо прокрытых отверстий;

при отделении лаковой рубашки возможно частичное разрушение проводящего подслоя в отверстиях. Условия для электрохимической металлизации нарушаются. В связи с этим негативный метод уступил в распространении позитивному.

Комбинированный позитивный метод.

Как уже отмечалось, единственным преимуществом негативного метода на ранних стадиях развития производства печатных плате металлизированными отверстиями являлась возможность сверления отверстий по сформированному рисунку печатной платы, когда контактные площадки можно было использовать как мишень для ручного сверления отверстия. С появлением высокопроизводительных сверлильных станков с ЧПУ это единственное преимущество негативных методов исчезло. В позитивном методе травление рисунка происходит после металлизации отверстий, а для соединения металлизируемых отверстий с катодом используется еще не вытравленная фольга, изначально присутствующая на поверхности заготовки. Схема комбинированного позитивного метода изготовления двусторонних печатных плат с металлизированными отверстиями: - нарезка технологических заготовок; - очистка поверхности фольги (дезоксидация);

- сверление отверстий, подлежащих металлизации, на станках с ЧПУ; - активация поверхностей под химическую металлизацию;

- тонкая химическая металлизация (до 1 мкм);

- предварительное тонкая гальваническая металлизация (до б мкм) - «гальваническая затяжка»;

- нанесение и экспонирование фоторезиста через фотошаблон -- позитив;

- основная гальваническая металлизация (до 25 мкм внутри отверстий);

нанесение металлорезиста;

- удаление экспонированного фоторезиста;

- травление обнаженных участков фольги;

- удаление металлорезиста;

- нанесение контактных покрытий на концевые печатные ламели;

- тщательная отмывка платы, сушка;

- нанесение паяльной маски;

- нанесение финишных покрытий под пайку;

- нанесение маркировочных знаков;

- обрезка платы по контуру;

- электрическое тестирование;

- приемка платы - сертификация.

Преимущества: t

- возможность воспроизведения всех типов печатных элементов с высокой степенью разрешения;

- защищенность фольгой изоляции от технологических растворов -- хорошая надежность изоляции;

хорошая прочность сцепления (адгезия) металлических элементов платы с диэлектрическим основанием.

Недостатки:

относительно большая глубина травлении (фольга + металлизация затяжки) создает боковой подтрав, ограничивающий разрешающую способность процесса; травление рисунка по металлорезисгу ограничивает свободу выбора травящих растворов; после травления рисунка схемы, металлорезист или осветляют для улучшения паяемости, или удаляют и, после нанесения паяльной маски, осаждают финишные покрытия под пайку. Оба варианта требуют дополнительных капитальных затрат и прямых расходов.

Тентинг-метод.

Процесс изготовления плат комбинированным позитивным методом становится короче и дешевле, если для защиты рисунка от травления использовать не металлорезист, а прочный, сухой пленочный фоторезист. Главная проблема тентинг- процесса -- надежно закрыть отверстия от доступа травящих растворов. Не все пленочные фоторезисты способны к этому. Но, когда они появились, тентинг-метод начал успешно применяться для изготовления плат невысокой сложности. Название процесса произошло именно потому, что пленка фоторезиста накрывает отверстия, как бы зонтиком или крышей, отсюда английское происхождение термина «tenting».Преимущества тентинг-метода:

- меньшие капитальные затраты на оснащение производства относительно классических комбинированных методов;

- относительно меньшие прямые расходы за счет отсутствия необходимости осаждения и удаления металлорезиста. Недостатки:

- меньшая разрешающая способность метода за счет необходимости более глубокого травления рисунка: фольга + гальванически осажденная медь; - меньшая трассировочная способность за счет увеличенного размера контактных площадок под отверстия с целью надежного перекрытия отверстий фоторезистом.



1.4 Конструкционные материалы для производства печатных плат

Для изготовления ПП используются слоистые диэлектрики, состоящие из наполнителя и связующего вещества (синтетической смолы, которая может быть термореактивной или термопластичной).

Большинство диэлектриков выпускается промышленностью с проводящим покрытием из тонкой медной электролитической фольги. В качестве основы в слоистых пластиках используют электроизоляционную бумагу (гетинакс) или чаще стеклянную ткань (стеклотекстолит). Их пропитывают фенольной или фенолоэпоксидной смолой. Фольгированные диэлектрики выпускают с покрытием из электролитической меди иногда алюминия или никеля, причем для улучшения прочности сцепления меди с основанием оно с одной стороны оксидировано или покрыто слоем хрома толщиной 1.3 мкм. Фольга имеет стандартизованную толщину: 5,18, 37, 70,105 мкм и характеризуется чистотой меди 99.5%, пластичностью, высотой микронеровностей 0,4..0,5 мкм. Основа слоистых пластиков -- электроизоляционная бумага, хлопчатобумажная ткань, стеклоткань. Фольгированные диэлектрики выпускаются в виде листов 400..1100 мм и толщиной 0,06.. 3 мм.

Гетинакс -- дешев, хорошо обрабатывается, отличается удовлетворительными электроизоляционными качествами.

Используется в бытовой аппаратуре. Марки гетинакса: ГФ-1-35, ГОФ-2-50, ГОФВ-2-35. Обозначения: ф -- фольгированный,

0 -- огнестойкий, В -- влагостойкий,

1 цифра -- толщина диэлектрика, мм,

2 цифра -- толщина проводника, мм.

Текстолит -- для мощных цепей питания и высоких напряжений, уменьшения опасности возгорания. Для этого в состав вводят особые вещества -- антипирены.

Стеклотекстолит -- используется для сложных климатических условий - 60..+150 ОС. Обладает низкой влагопоглощаемостью, слабо коробится, высокое значение поверхностного и объемного сопротивления. Марки стеклотекстолита: СТЕК -- с адгезионным слоем, CTAM -- с катализатором, СФО -- огнестойкий, ДФС -- самозатухающий, ФДМ1А -- тонкий, ФТС-1 -- травящийся, СТПА1 -- стойкой фольгой, СТНФ -- негорючий, СТОФамит-- специального назначения.

Не фольгированные диэлектрики используются для аддитивного способа изготовления печатных плат. Для улучшения прочности сцепления с металлическим покрытием на его поверхность наносят тонкий полуотвержденный клеевой слой (эпоксидно-каучуковую композицию). Для повышения качества в лак, пропитывающий стеклоткань вводят 0,1..0,2% палладия, олова или закиси меди, которая незначительно снижает качество изоляции. Для производства печатных кабелей используются армированные, фольгированные пленки из фторопласта: ФАФ-4Д, полиэфирные пленки ПЭТФ.

Напрессовкой фольги на термопластичную основу добиваются высокой точности и стойкости к температурным перепадам. Для печатных плат СВЧ диапазона используют полимеры -- фторопласт, полиэтилен, полипропилен, полистирол и их сополимеры. Для улучшения свойств добавляют двуокись титана, армируют, плакируют медной фольгой. Используют стеклянный наполнитель для улучшения температурных свойств.

Полистирол с наполнителем ПТ-3, СТ-3.

Керамические материалы с наполнителем для микросборок: 22ХС.

Стеклоткань прокладочная: СП-1-0.025.

Фольга электрическая: ФМЭГ-Н (пластичная, общего назначения, нагревостойкая, с хромовым покрытием).

Металлические платы используют в изделиях при больших токовых и температурных нагрузках. Изолирующий слой получают оксидированием (AI203), причем пленка толщиной около 100 мкм и изоляция 1010 Ом. На стальных основаниях изолирующий слой образуют с помощью специальных эмалей в виде тонких пленок.

Эмали: оксиды магния, кальция, кремния, бора, бериллия и их смеси + связка (полихлорвинил) + пластификаторы.

Эмаль вжигают с последующим прокатом между валами, что позволяет создавать многослойную структуру с отличными механическими и электрическими свойствами.

Полиимидные пленки обладают более высокой термостабильностью (до 250°С), прочностью на растяжение, несгораемостью, радиационной стойкостью, а также способностью к равномерному травлению в щелочных растворах, но высокая стоимость и водопоглощение ограничивают их широкое применение коммутационными ДПП и МПП в микроэлектронной аппаратуре.



2. Конструкторско-технологическое проектирование ПП

2.1 Характеристика конструкции ПП

ПП будет разрабатываться для 1-го уровня модульности: ячейки.Конструкция ячейки не унифицирована. Разрабатывается оригинальная конструкция ПП.

Требования к стационарной аппаратуре ( табл. 1) (1)

Для стационарной ЭА характерна работа в повышенной и пониженной температуры. Она должна иметь ограниченные габариты и массу, обеспечивать простоту и надежность электрических соединений.

Для 2-й группы жесткости при климатических воздействиях в соответствии с табл. 2 допустимые значения воздействующих факторов следующие:

Таблица 2 - Допустимые значения воздействующих факторов

Температура, К	Верхнее значение 328
	Нижнее значение 248
Относительная влажность, %	%: 78 при температуре до 308 К
Перепад температур, К	От 248 до 328
Атмосферное давление, Па (мм.рт.ст)	86 000 - 106 000



Средняя конструкторская сложность ФУ (40 устанавливаемых ИМС на ПП) требует значительной трассировочной способности ПП, применения ДПП и соответствующих технологических процессов ее изготовления.

В данном варианте нет параметра ФУ, влияющего на конструкцию ПП.

В данном ФУ применяют корпусные ИМС.

Количество ИМС:

20 шт. -- КР541РУ1 (установочная площадь 22,22* 7,5 см, число задействованных выводов -- 18);

20 шт. КР541РУ2 (установочная площадь 22,50* 10 см, число задействованных выводов -- 18).

Поскольку элементная база представлена корпусными ИМС (2-й тип корпуса -- DIP) с выводами, устанавливаемыми в отверстия, то в качестве конструктивно-технологического направления выбираем монтаж корпусных ИМС и ЭРЭ на ПП (1-й вариант компоновки ячейки )

Тип сборки -- 1А: односторонняя установка ЭРИ в отверстия.

Выбираем тип ПП -- ДПП ориентировочно.

Компоновочная структура ячейки (корпусные ИМС на ОПП) представлена на рис. П. 1.2.

Рис. 1.2; Компоновочная структура ячейки: 1 -- плата; 2-- кристалл ИМС; 3 -- корпус ИМС

ИМС серии КР541РУ2 выпускают в корпусе типа 2107.18-1, имеющем 18 выводов прямоугольного сечения, размером 0.5*0.35 мм и КР541РУ1 -- в корпусе 2104.18-1 с сечением выводов 0.59*0.36 мм. Выводы ИМС устанавливают в монтажные отверстия круглой формы.

Форма контактных площадок -- круглая.

Выбираем шаг координатной сетки 2,5 мм, так как шаг расположения выводов ИМС серии КР541РУ2 и КР541РУ1 равен 2,5 мм.

ИМС серии КР541РУ2 и КР541РУ1 рассеивают незначительную мощность (мощность потребления 0,5 Вт), поэтому нет необходимости вводить в конструкцию ПП или ФУ теплоотводы.

Тип конструкции ПП -- ДПП.

2.2 Анализ внешних воздействий на конструкцию ПП

Анализ внешних воздействий, деградационных процессов, которые могут иметь место в ПП стационарной ЭА, их последствий и способов борьбы с ними в таблице 3

Таблица 3 - Влияние дестабилизирующих факторов на ПП

Воздействующий фактор	Ускоряемые деградационные процессы	Способы предотвращения влияния воздействующих факторов на этапе конструирования и производства ПП
Высокая температура	Расширение, размягчение, обезгаживание, деформация ПП: коробление, прогиб, скручивание	1.Применение нагревостойких материалов. 2.Выбор минимальных размеров ПП. 3.Выбор материалов ПП с близким ТКЛР в продольном и поперечном направлении и с медью.
	Уменьшение электропроводности, нагрузочной способности проводников по току, ухудшение диэлектрических свойств	1.Увеличение ширины и толщины проводников. 2.Применение материалов с низкими диэлектрическими потерями
	Перегрев концевых контактов ПП, увеличение их переходного сопротивления	Выбор гальванического покрытия со стабильными переходными сопротивлениями при нагреве
	Высыхание и растрескивание защитных покрытий	Выбор покрытия, устойчивого к высокой температуре
Низкая температура	Уменьш. электропроводности, нагрузочной способности по току, ухудш. диэлектрических свойств вследствие конденсации влаги, деформация, сжатие, хрупкость; электрохим. коррозия проводников	1.Увеличение ширины и толщины проводников. 2.Выбор материалов ПП, устойчивых к низким температурам.

2.3 Определение класса точности ПП

Класс точности печатной платы

Условное цифровое обозначение, характеризующее наименьшие номинальные значения размеров элементов рисунка печатной платы и определяющее значения допусков на размеры этих элементов. Примечание -- При определении класса точности печатной платы учитывают значения ширины печатного проводника, гарантийного пояска контактной площадей, расстояния между печатными проводниками и др.

Класс точности ПП выбираем из табл. 3.6(1).

Поскольку на ПП устанавливаются 40 ИМС (средняя конструкторская сложность или средняя насыщенность поверхности ПП ИЭТ) с выводами, устанавливаемыми в отверстия, выбираем 2-й класс точности;

Номинальные значения основных параметров:

-- номинальная ширина проводника t=0,45 мм;

-- номинальное расстояние между проводниками S = 0,45 мм;

-- расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки b = 0,20 мм;

-- отношение диаметра отверстия к толщине ПП ? = 0,40;

-- предельное отклонение ширины печатного проводника Дt= ±0,10;

-- позиционный допуск расположения печатных проводников T= 0,10 мм;

2.4 Набор и характеристика метода изготовления ПП; материала основания ПП

Учитывая тип конструкции и выбранный класс точности ПП, выбираем метод изготовления ДПП -- метод изготовления комбинированно - позитивный

Комбинированный позитивный метод.

Этот метод применяют для изготовления ДПП с металлизированными отверстиями на двустороннем фольгированном диэлектрике. Проводящий рисунок получают субтрактивным методом, а металлизацию отверстий осуществляют электрохимическим методом . Поверхность обеих сторон платы / и отверстия 2 подвергают химическому и предварительному гальваническому меднению для получения слоя меди толщиной 5...7 мкм После подготовки металлизированных поверхностей на них создается негативное изображение схемы проводников. Это изображение может быть получено с помощью сеткографической краски или сухого пленочного фоторезиста. На наружные поверхности, не защищенные резистивной маской, и в отверстия осаждается слой меди 4, толщина которого в отверстиях должна быть не менее 25 мкм. Гальваническое осаждение меди выполняется на заготовке платы, имеющей сплошной слой фольги, которая защищает поверхность диэлектрика и обеспечивает электрический контакт всех элементов схемы. Металлизированные поверхности покрываются защитным слоем сплава «олово-- свинец», толщина которого не менее 10 мкм. Покрытие этим сплавом хорошо защищает медь от травления и после нанесения этого покрытия участки медной фольги, покрытые ранее фоторезистом, удаляются травлением. После травления на плате остается требуемый рисунок схемы, образованный облуженной медной фольгой.

Материал основания ПП выбираем по табл. 2.1--2.7(1). Выбираем материал основания ДПП -- FR-4 Duraver-E-Cu Quality 104.

FR-4 являются наиболее распространёнными материалами для производства двухсторонних и многослойных печатных плат. Стандартный FR-4 представляет собой композитный материал на основе стекловолокна (стеклотекстолит). Стандартный FR-4 толщиной 1,6 мм состоит из восьми слоев ("препрегов") стеклотекстолита. На центральном слое обычно находится логотип производителя, цвет его отражает класс горючести данного материала (красный - UL94-VO, синий - UL94-HB). Обычно, FR-4 - прозрачен, стандартный зелёный цвет определяется цветом паяльной маски, нанесённой на законченную печатную плату. Таким образом, FR-4 является наиболее распространённым во всем мире базовым материалом для производства двухсторонних и многослойных печатных плат, а так же для производства односторонних печатных плат с повышенными требованиями к механической прочности.

2.5 Выбор габаритных размеров ПП

Выбор типоразмера ПП

Площадь ПП определяют по формуле:

S_?=k_S? (1)

Где k_S?= =1-3 -- коэффициент, зависящий от назначения и условий эксплуатации аппаратуры.

Принимаем k_S? = 2; -- установочная площадь ИМС; n - количество ИМС.

=2/20*((22,22*7,5)+20*(22,50*10))=15666 мм² (2)

По ГОСТ 10317--79 табл. 1.3 (4) подбираем ширину и длину ПП. Принимаем: ширина ПП = 110 мм; длина ПП = 150 мм.

Определение толщины ПП

Толщина ПП определяется толщиной материала основания ПП и проводящего рисунка (без дополнительных покрытий). Ее выбирают в зависимости от конструктивных, технологических особенностей и механических нагрузок: вибраций и ударов при эксплуатации и транспортировке, которые могут вызвать механические перегрузки и привести к деформации и разрушению ПП. Предпочтительными значениями номинальных толщин являются 0,8: 1,0; 1,5: 2,0 мм.

H=1,0 мм

2.6 Расчет элементов проводящего рисунка

печатный плата рисунок конструкция

Расчет диаметра монтажных отверстий

Минимальный диаметр металлизированного монтажного отверстия определяем по формул

d₀?Н_п ?

где Н_п - толщина ПП, ? -отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине ПП.

Для первого класса ? = 0,40

Для данной ПП получаем:

d₀=1*0,40, то есть d₀?0,40 мм.

Определяем номинальный диаметр монтажных отверстий:

(3)

Где =0,1 мм - нижнее предельное отклонение диаметра отверстий (см табл 3.17)

d_э- максимальное значение диаметра выводов ПМК, устанавливаемых на ПП (для выводов прямоугольного сечения принимают диагональ)

r -- разница между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода, устанавливаемой ИМС; ее выбирают в пределах 0,1...0,4 мм при ручной установке ЭРИ и в пределах 0.4...0.5 мм при автоматической установке.

d_э1=0,6 ()=0,6 мм -для ИМС в корпусе 2107.18-1

d_э2=0,7 ()=0,7 мм -для ИМС в корпусе 2104.18-1

Примем r = 0,4 мм, тогда номинальный диаметр d_l и d₂ монтажных отверстий для ИМС в корпусе 2107.18-1 и 2104-18-1 равен:

d₁? 0,6 + 0,4+0,1= 1,1 мм

d₂? 0,7 + 0,4+0,1= 1,2 мм

Округляем расчетные значения в сторону увеличения и сводим к предпочтительному ряду отверстий (см. разд. 3.12.1)(1), тогда d₁= 1,1 мм; d₂=1,2 мм расстояние Q₁ от края ПП до элементов печатного рисунка должно быть не менее толщины ПП с учетом допусков на размеры сторон.

Примем Q₁ = 1,2 мм;

расстояние Q₂ от края паза, выреза, неметаллизированного отверстия до элементов печатного рисунка определяют по формуле:

(4),

где q = 0,8 мм -- ширина ореола, скола (см. табл. 3.18)(1);

к = 0,15 мм -- наименьшее расстояние от ореола, скола, до

соседнего элемента проводящего рисунка (см. разд. 3.12.3)(1);

T_D - 0,25 мм -- позиционный допуск расположения центров КП(см.табл. 3.19)(9);

T_d = 0,15 мм -- позиционный допуск расположения осей отверстий (см.табл. 3.20)(10);

...