Совершенствование технологического процесса изготовления печатной платы электронного блока

 

Печатная плата (ПП) – это основа печатного монтажа электронной аппаратуры, при котором микросхемы (МС), полупроводниковые приборы, электрорадиоэлементы (ЭРЭ) и элементы коммутации устанавливаются на изоляционное основание с системой токопроводящих полосок металла (проводников), которыми они электрически соединяются между собой в соответствии с электрической принципиальной схемой.

Государственным стандартом предусмотрены следующие типы ПП:

1) односторонние ПП (ОПП) – ПП, на одной стороне которых выполнен проводящий рисунок;

2) двусторонние ПП (ДПП) – ПП, на обеих сторонах которой выполнены проводящие рисунки и все требуемые соединения;

3) многослойные ПП (МПП) – ПП, состоящие из чередующихся слоёв изоляционного материала с проводящими рисунками, между которыми выполнены требуемые соединения;

4) гибкие ПП (ГПП) – ПП, имеющие гибкое основание (толщина до 0,5 мм);

5) гибкие печатные кабели (ГПК), или шлейфы – системы печатных проводников, размещённых на гибком основании.

По точности выполнения печатных элементов конструкции (проводников, контактных площадок) ПП делят на пять классов.

Первый и второй классы точности применяются в случае малой насыщенности ПП дискретными элементами и микросхемами малой степени интеграции.

Третий используется для микросхем со штырьевыми и ланарными выводами при средней и высокой насыщенности поверхности ПП элементами.

Четвертый – при высокой насыщенности поверхности ПП микросхемами с выводами и без них.

Пятый – при очень высокой насыщенности поверхности элементами с выводами и без них.

 

Таблица 3.7 − Наименьшие номинальные значения основных размеров элементов печатного монтажа

Элементы печатного монтажа	Класс точности печатной платы
	1	2	3	4	5
t, мм	0,75	0,45	0,25	0,15	0,10
S, мм	0,75	0,45	0,25	0,15	0,10
b, мм	0,30	0,02	0,10	0,05	0,025
γ = d/H	0,40	0,40	0,33	0,25	0,20

 

где t – ширина печатного проводника;

S – расстояние между печатными проводниками;

b – расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (гарантийный поясок);

d – диаметр отверстия;

H – толщина платы.

Для свободного места эти параметры берут по меньшему классу точности. Для первого класса – вдвое большими.

Ширину печатных проводников рассчитывают и выбирают в зависимости от допустимой токовой нагрузки, свойств токопроводящего материала и температуры окружающей среды при эксплуатации.

Расстояние между печатными проводниками зависит от допустимого рабочего напряжения, свойств диэлектрика, условий эксплуатации.

Исходный параметр при конструировании ПП – шаг координатной сетки. Размещение отверстий и других элементов печатного рисунка производят относительно базы координат координатной сетки в соответствии с принятым при разработке печатного узла расположением навесных элементов и их выводов.

Основной шаг линий для координатной сетки равен 2,5 мм; допускаются вспомогательные шаги координатной сетки в 1,25 мм, 0,625 мм и 0,5 мм (в зависимости от используемой элементарной базы).

Координатная сетка определяет требования к технологическому оборудованию, оснастке и контрольно-испытательной аппаратуре.

Центры отверстий и контактных площадок располагаются в узлах координатной сетки. Центры монтажных отверстий под неформуемые выводы многовыводных элементов, межцентровые расстояния которых не кратны шагу координатной сетки, следует располагать так, чтобы в узле координатной сетки находился, по крайней мере, центр одного из монтажных отверстий.

Учитывая все вышеописанные требования и стандарты, для разработки печатной платы блока электронного был выбран тип конструкции печатной платы – ОПП (односторонняя печатная плата). При таком типе ПП печатный рисунок находится на одной стороне платы, а навесные элементы – на другой.

Класс точности для изготовления платы – I. Печатные платы этого класса точности наиболее просты в изготовлении, надежны в эксплуатации и имеют наименьшую цену.

При изготовлении плат используют:

- фольгированные и нефольгированные диэлектрики (гетинакс, стеклотекстолит, лавсан, полиимид, фторопласт и др.);

- керамические материалы;

- металлические пластины.

В качестве конструкционных материалов ПП обычно используются фольгированные и нефольгированные слоистые диэлектрики (пластики) различного типа и толщины.

Фольгированные диэлектрики представляют собой электроизоляционные основания, плакированные обычно электролитической медной фольгой с оксидированным гальваностойким слоем, прилегающим к электроизоляционному основанию. В зависимости от назначения фольгированные диэлектрики могут быть односторонними и двусторонними и иметь толщину от 0,06 до трех мм.

Нефольгированные диэлектрики, предназначенные для полуаддитивного и аддитивного методов производства плат, имеют на поверхности специально нанесенный адгезивный слой, который служит для лучшего сцепления химически осаждаемой меди с диэлектриком.

При выборе материала основания ПП обращают внимание на следующие обстоятельства:

- вибрации, удары и др.;

- класс точности ПП;

- условия эксплуатации аппаратуры;

- стоимость.

Большинство печатных плат для технических средств ЭВМ в настоящее время изготавливают субстрактивным методом (травление фольгированного диэлектрика).

ОСТ 4.010.022 – 85 рекомендует также применение следующих марок фольгированных диэлектриков: диэлектрик фольгированный самозатухающий (ДФС-1, ДФС-2); диэлектрик фольгированный общего назначения (ДФО-1, ДФО-2) – для ОПП, ДПП; стеклотекстолит с двусторонним адгезивным слоем (СТЭК) – для ДПП, изготавливаемых по аддитивной технологии; стеклотекстолит теплостойкий для изготовления плат по полуаддитивной технологии (СТПА-5–1, СТПА-5–2) – для ОПП, ДПП и МПП с высокой плотностью проводящего рисунка.

Диэлектрическое основание платы представляет собой обычно бумажную (гетинаксы) или текстильную (текстолиты) основу, пропитанную фенольной либо эпоксидной смолой.

Преимущество гетинаксов заключается в том, что они легко поддаются механической обработке, поэтому возможна организация серийного и массового производства. К недостаткам материалов этого типа относятся повышенная чувствительность к влажности и нестабильность элементов.

В настоящее время намечается тенденция к применению эпоксидной невоспламеняющейся бумаги, которая обладает лучшей стабильностью размеров, более приспособлена к автоматизации процесса монтажа элементов.

В стеклотекстолитах в качестве основы используют стеклоткань, пропитанную эпоксидной смолой. Наиболее широкое распространение материалы этого типа получили для производства двусторонних и многослойных плат.

 

Таблица 3.8 − Сравнительные характеристики материалов, используемых для изготовления печатных плат

Наименование параметров	Гетинакс ГФ-1	Стеклотекстолит СФ-1
Предел прочности на растяжение, кгс/см2	800	2000
Плотность, г/см3	1,3	1,6
Влагопоглощаемость, %, не более	4	3
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом×см	1012	1013
Средняя электрическая прочность при температуре, -5..+20 °С, кВ/мм	33	12

 

В качестве материала для печатных проводников используют медь с содержанием примесей не свыше 0,05%. Этот материал обладает высокой электрической проводимостью, относительно стоек по отношению к коррозии, хотя и требует защитного покрытия. При печатном монтаже допустимую токовую нагрузку на элементы проводящего рисунка в зависимости от допустимого превышения температуры проводника относительно температуры окружающей среды выбирают: для фольги – от 100 до 250 А/мм², а для гальванической меди – 60..100 А/мм² (ГОСТ 23751–86), что значительно больше плотности тока, допустимой для круглых проводников.

Толщина проводника принимается 18, 35, 50 мкм. Наименьшая ширина проводников и расстояние между ними (пробельные участки) выбираются в зависимости от класса печатной платы (ГОСТ 23751–86).

Размеры ПП, если они не оговорены в техническом задании, определяются с учётом количества установленных элементов, их установленных площадей, шага установки, зон установки разъёма и т.д.

Установлены максимальные габаритные размеры для следующих типов печатных плат: особо малогабаритные – 60×90 мм; малогабаритные – 120х180 мм; крупногабаритные – 240×360 мм. Установочные размеры, условия эксплуатации и т.п. также влияют на габаритные размеры и конфигурацию печатной платы. Линейные размеры ПП рекомендуется выбирать по ГОСТ 10317–79. Этот ГОСТ также рекомендует выбирать платы прямоугольной формы, с размерами каждой из сторон, кратными 2,5 – при длине стороны до 100 мм; 5 – при длине стороны до 350 мм; 10 – при длине стороны свыше 350 мм. При этом максимальный размер любой из сторон – 470 мм, а соотношение сторон – три к одному. Эти ограничения вызваны ограниченными возможностями технологического оборудования по изготовлению печатных плат. Однако при необходимости габаритные размеры и соотношения сторон ПП могут превышать максимальные значения.

Если размеры ПП не оговорены в ТЗ, то определить их можно по следующему алгоритму:

1) Выбрать или рассчитать типоразмер ПП.

2) Скомпоновать конструкторско-технологические зоны для размещения:

а) ЭРЭ;

б) элементов контроля;

в) элементов электрического соединения;

г) элементов крепления;

д) элементов фиксации ячейки в модуле.

3) Выбрать толщину ПП.

Размер ПП по этому алгоритму получается ориентировочный и может быть скорректирован в ходе дальнейшей разработки платы. Исходными данными для расчетов являются перечень элементов и габаритные размеры изделий электронной техники.

Метод изготовления печатной платы зависит от назначения конструкции, условий ее эксплуатации, от материала диэлектрика и т.д.

В настоящее время печатные платы изготавливаются двумя принципиально отличными методами:

- нанесение проводников на плату изоляционного материала осаждением или прессованием токопроводящего слоя;

- нанесением на металлическую фольгу, полностью покрывающее изоляционное основание, кислотоупорной краской или фотоспособом рисунка схемы с последующим вытравливанием металла, не покрытого краской.

Методы изготовления печатных плат классифицируются по способам получения токопроводящего покрытия и по способам изображения печатных проводников. Изготовление печатных плат состоит из ряда технологических операций, позволяющих образовать токопроводящее покрытие на изоляционном основании с рисунком печатного монтажа.

Широкое распространение получили три метода создания токопроводящего слоя:

- химический, при котором производится вытравливание незащищенных участков фольги, предварительно наклеенной на диэлектрик. Наиболее распространенный травитель – хлорное железо FeCl3;

- электрохимический, при котором методом химического осаждения создается слой металла толщиной один-два мкм, наращиваемый гальваническим методом до нужной толщины. При этом методе одновременно с проводниками металлизируются стенки отверстий, расположенных на разных сторонах платы;

- комбинированный метод, сущность которого состоит в сочетании химического и электрохимического методов. При использовании данного метода проводники получают травлением фольги, а металлизированные отверстия – электрохимическим методом.

Топологическое проектирование ПП – размещение элементов и трассировка печатных проводников. Исходным параметром при трассировке является шаг координатной сетки. Размещение отверстий и других элементов печатного рисунка производится в соответствии с принятым при разработке печатного узла расположением навесных элементов их выводов.

Центры отверстий и контактных площадок располагают в узлах сетки. Центры монтажных отверстий под неформуемые выводы многовыводных ИЭТ, межцентровые расстояния которых не кратны шагу координатной сетки, следует располагать так, чтобы минимум один центр монтажного отверстия находился в узле координатной сетки.

Отверстия следует располагать так, чтобы расстояние между его и краем ПП было не меньшим, чем толщина ПП. Номинальные размеры диаметров металлизированных, неметаллизированных монтажных и переходных отверстий рекомендуется брать по ГОСТ 10317–79, ОСТ 4.010.030–81 и ОСТ 4.ГО.010.009–84.

При топологическом проектировании рекомендуется выбирать наименьшее возможное количество типоразмеров отверстий ПП (упрощение технологического процесса и уменьшение конечной стоимости печатной платы).

На плате также необходимо предусмотреть не менее двух отверстий с диаметром более 1,3 мм, расположенные в узлах координатной сетки по углам ПП, которые могут быть использованы как монтажные отверстия. По краям платы необходимо оставить свободную полосу – вспомогательный участок, для технологических целей, который не занят проводящим рисунком и ИЭТ. На этом участке могут располагать контрольные точки, разъемы, элементы крепления печатной платы. Размер участка должен варьироваться от 2,5 до 10 мм.

При трассировке прокладывают линии соединения между контактными площадками в соответствии со схемой с учетом конструктивных, электрических и технологических ограничений. Линии проводящего рисунка должны проходить по линиям координатной сетки, либо, если это не возможно, под углом 45º. При ортогональном расположении проводников минимизируется взаимное влияние проводников друг на друга и упрощается процесс их разводки.

Одной из важнейших задач при трассировке является достижение минимального количества пересечений проводников и их длинны. Это обеспечивает технологичность процесса, а в случае с МПП – меньшее количество слоев, что в конечном счете скажется на стоимости ПП.

Выбор варианта установки навесных элементов, в том числе под автоматическую установку, осуществляют в соответствии с ГОСТ 29137–91

При разработке печатных плат необходимо придерживаться некоторых требований ОСТ 4.101.022–85:

1) стороны печатной платы должны быть параллельны линиям координатной сетки;

2) отверстия располагаются в узлах координатной сетки;

3) взаимное расположение монтажных отверстий должно соответствовать ОСТ 4.010.030–81.

В настоящее время для трассировки ПП используют различные системы автоматизированного проектирования (САПР). Наиболее производительные и удобные в использование – P-CAD, OrCAD и т.п. САПР значительно сокращают время разработки печатной платы, что снижает ее стоимость, при этом используются наиболее рациональные методы, что повышает качество конечного продукта.

Результатом проекта является разработанная печатная плата блока электронного.

Плата изготовляется комбинированным позитивным методом.

Установка навесных элементов на ПП осуществляется согласно ОСТ 4.010.030–81.