Методы организации, устройства и монтажа электронных приборов и устройств

1.

Методы организации,
устройства и монтажа
электронных
приборов и устройств
1 семестр

2.

Раздел 3: Технология печатных плат
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Элементы конструкции печатных плат
Классификация конструкций печатных плат
Методы изготовления печатных плат
Базовые материалы для изготовления ПП
Основные операции изготовления ПП
Технология изготовления многослойных ПП
Контроль и испытания ПП
8.
КОНТРОЛЬНЫЙ тест для проверки знаний
Возможны изменения в количестве самостоятельных работ

3.

3.1. Элементы конструкций печатных плат
Наиболее важными факторами, влияющими на
разработку конструкций печатных плат и их топологий,
являются конфигурации выводов активных компонентов
и шаг между ними, особенно для тех микросхем и их
корпусов, конструкция которых определяется необходимой
плотностью компоновки и, соответственно, плотностью
монтажа.

4.

3.1. Элементы конструкций печатных плат
Примерно до 1980 г. все корпуса микросхем имели
выводы,
предназначенные
для
монтажа
в
металлизированные отверстия (РТН – Plated Throughhole) печатной платы и последующей пайки. Позднее, с
увеличением интеграции, их выводы стали делать в форме,
пригодной для технологии поверхностного монтажа (SMT –
Surface Mounting Technology), ставшей преобладающей
технологией монтажа электронных компонентов

5.

3.1. Элементы конструкций печатных плат
Основными
типами
корпусов
микросхем,
в
зависимости от расположения их выводов, являются корпуса с
периферийным расположением выводов, когда выводы
расположены по краям кристалла или корпуса микросхемы, и
корпуса с матричным расположением выводов.

6.

3.1. Элементы конструкций печатных плат
Положение печатного рисунка на плате регламентируется
условной координатной сеткой – ортогональной сеткой,
состоящей из параллельных осям X-Y линий, условно или
фактически нанесенных на чертеж печатной платы. Расстояние
между двумя ближайшими параллельными линиями называют
шагом координатной сетки.

7.

3.1. Элементы конструкций печатных плат
Точки пересечения линий координатной сетки
называют узлами. Узлы координатной сетки предназначены
для определения местоположения монтажных и переходных
отверстий, контактных площадок для монтажа поверхностномонтируемых компонентов. Поэтому шаг координатной сетки
печатной платы должен строго соответствовать шагу выводов
радиоэлементов.

8.

3.1. Элементы конструкций печатных плат
В отечественной практике используют шаг основной
координатной сетки 2,5 мм. По мере уплотнения печатного
монтажа используют вспомогательные координатные сетки,
шаг которых получают делением или умножением шага
основной координатной сетки на 2. Таким образом получают
ряд мелких шагов вспомогательных сеток: 0,625; 0,3125 мм и
дополнительных шагов, получаемых путем сложения разных
шагов, например, 2,5+0,625=3,125 или 0,625+0,31,25=0,9375
мм.

9.

3.1. Элементы конструкций печатных плат
Размеры печатных проводников по длине и ширине
выбираются
с позиций
обеспечения электрических
требований по плотности тока, омическому сопротивлению,
реализации специальных электрических параметров и
механической устойчивости. С другой стороны, эти
требования
должны
соответствовать
разрешающей
способности печатного рисунка.

10.

3.1. Элементы конструкций печатных плат
Металлизированные отверстия выполняют
монтажного элемента или межслойного соединения
роль

11.

3.1. Элементы конструкций печатных плат
Диаметры сквозных монтажных отверстий для
выполнения нормальных условий пайки должны быть на 0,2 –
0,4 мм больше диаметра вывода радиоэлемента. Вместе с этим
гальваническое покрытие получается удовлетворительным при
определенном соотношении между диаметром отверстия и
толщиной платы. Это соотношение связано с рассеивающей
способностью электролитов и, отчасти, с режимами
гальванического осаждения.

12.

3.1. Элементы конструкций печатных плат
Переходные сквозные отверстия должны быть отделены
от монтажных контактных площадок, чтобы предотвратить
вытекание припоя с монтажных поверхностей.

13.

3.1. Элементы конструкций печатных плат
Основное условие гарантий надежности соединений по
металлизированному отверстию состоит в том, что толщина
медного гальванопокрытия без дефектов не должна быть
менее 20 – 25 мкм.
Чтобы не допустить дефектов металлизации в виде
незначительных неметаллизированных участков, создающих
очаги повышенной концентрации напряжений, толщину
металлизации увеличивают до 30 – 35 мкм

14.

3.1. Элементы конструкций печатных плат
Характер проводящего рисунка во многом определяет
технологичность конструкции, надежность производства
печатных плат.

15.

3.1. Элементы конструкций печатных плат
Правила конструирования печатного рисунка:
1. При трассировке проводников следует избегать острых углов.
Так как в результате термических воздействий пайки, острый
угол может отслоиться от основания. Если проводник
находится под высоким потенциалом, острие угла приобретает
высокий
градиент
электрического
поля,
здесь
сосредоточиваются
загрязнения
в
результате
электростатического осаждения пыли. Создастся опасность
электрического пробоя.

16.

3.1. Элементы конструкций печатных плат
Правила конструирования печатного рисунка:
2. Целесообразно размеры контактных площадок со стороны
монтажа выполнять меньшими или, по крайней мере, такими
же, как и со стороны пайки, чтобы в общем балансе
теплопереноса уменьшить теплоотвод со стороны монтажа.

17.

3.1. Элементы конструкций печатных плат
Существует четыре пути повышения плотности межсоединений
и монтажа компонентов на печатных платах:
• уменьшение размера отверстий и контактных площадок, чтобы
высвободить пространство для трассировки проводников;
• увеличение количества трасс между отверстиями за счет
уменьшения ширины проводников и зазоров;
• введение многоуровневых межсоединений: отказ от сквозных
отверстий в пользу глухих и слепых межслойных переходов;
• увеличение количества слоев.

18.

3.1. Элементы конструкций печатных плат
Следует отметить, что большая часть аппаратуры
выполнена с использованием двусторонних печатных плат. Если
возникает необходимость в особо плотном монтаже, современные
технологии и средства проектирования позволяют обойтись 6 – 10
слоями.

19.

3.2. Классификация конструкций печатных плат
Под
печатной
платой
понимается
конструкция
электрических межсоединений на изоляционном основании.
Печатная плата с установленными и смонтированными на ней
электронными компонентами представляет собой печатный узел,
способ его формирования назван печатным монтажом.
Проводники, лежащие в одной плоскости, называют печатным
рисунком, слоем.

20.

3.2. Классификация конструкций печатных плат
По
функциональному
назначению
различают
сигнальные (информационные), потенциальные (заземление,
питание),
экранирующие
и
технологические
слои
проводников, а по расположению – внутренние и внешние
слои.

21.

3.2. Классификация конструкций печатных плат
Кроме проводников платы содержат следующее:
• присоединительные элементы монтажа: контактные площадки и монтажные
отверстия;
• фиксирующие (базовые) элементы для совмещения выводов корпусов
электронных компонентов с контактными площадками или монтажными
отверстиями на печатной плате;
• печатные ламели для контактирования с разъемами;
• теплоотводящие и тепловыравнивающие участки;
• маркированные слои;
• технологические контактные площадки;
• паяльные маски – термостойкое электроизоляционное пленочное покрытие;
• элементы схем, выполняемые методами печати: индуктивности, емкости,
сопротивления.

22.

3.2. Классификация конструкций печатных плат
В зависимости от назначения и от возможностей
производства печатные платы выполняют односторонними,
двусторонними или многослойными, на жестком или гибком
основании.

23.

24.

3.2. Классификация конструкций печатных плат
Односторонние печатные платы представляют собой
изоляционное основание, на одной стороне которого выполнен
проводящий рисунок.
Для механической фиксации выводов штыревых
компонентов в плате служат сквозные неметаллизированные
отверстия, а для присоединения – контактные площадки,
которыми заканчиваются все печатные проводники. Трассировка
проводников на одной поверхности (в одном слое, в одном уровне)
не позволяет разрешить конфликт пересекающихся трасс иначе,
как установкой навесных проводных перемычек.

25.

3.2. Классификация конструкций печатных плат
Двусторонняя печатная плата имеет одно основание, на
обеих сторонах которого выполнены проводящие рисунки, и все
требуемые электрические соединения двух сторон соединяются
преимущественно сквозными металлизированными отверстиями.
Конфликты пересекающихся соединений здесь решаются
возможностью переноса конфликтующей трассы в обход на
другую
сторону
печатной
платы
с
использованием
металлизированных отверстий. Такое отверстие для переноса
трассы называют переходным, в отличие от монтажного. При этом
конструкция переходного отверстия может быть произвольной, а
монтажного – по нормам формирования паяного узла.

26.

3.2. Классификация конструкций печатных плат
Многослойные печатные платы (МПП) содержат
чередующиеся слои тонких изоляционных подложек с
нанесенными на них проводящими рисунками, физически
соединенными в одно многослойное основание. Электрические
соединения в многослойной структуре МПП осуществляются
сквозными (преимущественно) или глухими отверстиями. Каждый
из внутренних слоев может представлять собой одностороннюю
плату или двустороннюю с межслойными переходами.

27.

3.2. Классификация конструкций печатных плат
Слои в МПП имеют определенное функциональное
назначение:
• наружные монтажные слои конструируются и используются
для монтажа электронных компонентов;
• сигнальные слои несут на себе топологическую схему
сигнальных межсоединений;
• слои земли и питания выполняют, как правило, большими
полигонами с минимальным омическим и индуктивным
сопротивлениями, они одновременно служат электрическими
экранами, заземленными по высокой частоте развязывающими
емкостями;
• теплоотводящие или тепловыравнивающие слои.

28.

3.2. Классификация конструкций печатных плат
Существуют примеры создания 40 и более слойных МПП.
Сегодня преимущественное направление увеличения количества меж
соединений:
• увеличение плотности трасс за счет уменьшения шага трассировки с
одновременным уменьшением ширины проводников;
• выполнения межслойных переходов в шаге трасс, то есть в размерах
тонких проводников;
• выполнением многоуровневых меж соединений в многослойных
структурах: сквозных, слепых, глухих.

29.

30.

3.2. Классификация конструкций печатных плат
Гибкие печатные платы, по существу, реализации
межсоединений подобны односторонним, двусторонним и
многослойным с той разницей, что изоляционные и металлические
слои выполняются тонкими для гибкости из материалов,
выдерживающих многократные изгибы.
Использование гибких диэлектрических материалов для
изготовления печатных плат дает как разработчику, так и
пользователю
электронных
устройств
ряд
уникальных
возможностей. Это, прежде всего, – уменьшение размеров и веса
конструкции, повышение эффективности сборки, повышение
электрических характеристик, теплоотдачи и, в целом, надежности

31.

Методы изготовления ПП

32.

Субтрактивные методы
Субтрактивный метод наиболее освоен и распространен для
простых и очень сложных конструкций 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, осуществляемого через фотокопию печатного рисунка–
фотошаблон. При трафаретной печати используют специальную,
химически стойкую краску, называемую трафаретной

33.

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

34.

Субтрактивные методы
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, не подлежащих вытравливанию;
• травление открытых участков фольги;
• сушка платы;
• нанесение паяльной маски;
• горячее облуживание открытых монтажных участков припоем;
• нанесение маркировки;
• контроль.

35.

Субтрактивные методы

36.

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

37.

Аддитивные методы
Токопроводящие элементы рисунка можно создать следующим
образом:
• 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.

38.

Аддитивные методы
Избирательность осаждения металла можно обеспечить
следующим образом:
• 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 нанеceнного нa
всю поверхность основания (для фотоаддитивного метода ТХМ);
• трафаретной печатью (для паст и красок);
• масочной защитой.

39.

Аддитивные методы
Фотоаддитивный процесс. Схема процесса фотоаддитивной
технологии (как пример одного из вариантов аддитивного метода):
• вырубка заготовки;
• сверление отверстий под металлизацию;
• нанесение фотоактивируемого катализатора на все поверхности
заготовки и в отверстия;
• активация катализатора высокоэнергетической экспозицией через
фотошаблон-негатив;
• толстослойное
химическое
меднение
активированных
участковпечатной платы (печатных проводников и отверстий);

40.

Аддитивные методы
• отмывка платы от остатков
неактивированного катализатора;
• глубокая сушка печатной платы;
• нанесение паяльной маски;
• нанесение маркировки;
• обрезка платы по контуру;
• электрическое тестирование;
• приемка платы – сертификация.
технологических
растворов
и

41.

42.

Аддитивные методы
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.