Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1. Введение
В техническом прогрессе ЭВМ играют значительную роль: они значительно облегчают работу человека в различных областях промышленности, инженерных исследованиях, автоматическом управлении и т.д.
Особенностями производства ЭВМ на современном этапе являются:
Основными достоинствами печатных плат являются:
Появление печатных плат (ПП) в их современном виде совпадает с началом использования полупроводниковых приборов в качестве элементной базы электроники. Переход на печатный монтаж даже на уровне одно- и двухсторонние плат стал в свое время важнейшим этапом в развитии конструирования и технологии электронной аппаратуры.
Разработка очередных поколений элементной базы (интегральная, затем функциональная микроэлектроника), ужесточение требований к электронным устройствам, потребовали развития техники печатного монтажа и привели к созданию многослойных печатных плат (МПП), появлению гибких, рельефных печатных плат.
Многообразие сфер применения электроники обусловило совместное существование различных типов печатных плат:
Односторонние печатные платы
Двухсторонние печатные платы
Многослойные печатные платы
Гибкие печатные платы
Рельефные печатные платы (РПП)
Высокоплотная односторонняя печатная плата
Односторонние платы по-прежнему составляют значительную долю выпускаемых в мире печатных плат. В предыдущем десятилетии в США они составляли около 70% объема выпуска плат в количественном исчислении, однако, лишь около 10 % в стоимостном исчислении. В Великобритании такие платы составляют около четверти от объема всего производства.
Маршрут изготовления односторонних плат традиционно включает сверление, фотолитографию, травление медной фольги, защиту поверхности и подготовку к пайке, разделение заготовок. Стоимость односторонних плат составляет 0,1 - 0,2 от стоимости двухсторонних плат, это делает их вполне конкурентными, особенно в сфере бытовой электроники. Отметим, однако, что для современных электронных устройств, даже бытового назначения, односторонние платы часто требуют контурного фрезерования, нанесения защитных маскирующих покрытий, их сборка ведется с посадкой кристаллов непосредственно на плату или поверхностным монтажом. Пример такой платы в сборе, используемой в цифровом спидометре - альтиметре горного велосипеда, показан справа.
Типовые параметры плат:
Альтернативой фотохимическому способу изготовления односторонних плат является фрезерование проводящего слоя в медной фольге на двухкоординатных фрезерных станках с ЧПУ. Этот метод наиболее эффективен при изготовлении прототипов плат, он позволяет разработчику получить опытный образец за 1,5 - 2 часа в условиях конструкторского бюро.
Двухсторонние платы составляют в настоящее время значительную долю объема выпуска плат, например, в Великобритании до 47 %. Не претендуя на однозначность оценок, а опираясь лишь на собственную статистику последних трех лет, можно оценить долю двухсторонних плат в российском производстве в 65 - 75%.
Столь значительное внимание разработчиков к этому виду плат объясняется своеобразным компромиссом между их относительно малой стоимостью и достаточно высокими возможностями. Технологический процесс изготовления двухсторонних плат, также как односторонних, является частью более общего процесса изготовления многослойных ПП. Однако для двухсторонних плат не требуется применять прессования слоев, значительно проще выполняется очистка отверстий после сверления.
Вместе с тем, для большинства двухсторонних плат за рубежом проектные нормы "проводник / зазор" составляют 0,25 / 0,25 мм (40% от объема выпуска), 0,2 / 0,2 мм (18%) и 0,15 / 0,15 мм (18%). Это позволяет использовать такие платы для изготовления широкого круга современных изделий, они вполне пригодны как для монтажа в отверстия, так и для поверхностного монтажа. Нередко на проводники двухсторонних плат наносится золотое покрытие (фото слева), а для металлизации отверстий используется серебро (фото справа).
Типовые параметры двухсторонних плат:
Опираясь на собственный опыт изготовления прототипов отечественных двухсторонних плат, можно констатировать, что запросы отечественных разработчиков удовлетворяются пока диапазоном проектных норм 0,2 / 0,2 - 0,3 / 0,3 мм, норма 0,15 / 0,15 мм встречается не более, чем в 10% случаев.
Отметим, что отечественные разработчики, точно также как их зарубежные коллеги, закладывают в технические задания на изготовление двухсторонних плат нанесение паяльной маски, маркировку, весьма часто - фрезерование плат по сложному контуру. Как правило, сборка таких плат предусматривает поверхностный монтаж компонентов.
Многослойные печатные платы (МПП) составляют две трети мирового производства печатных плат в ценовом исчислении, хотя в количественном выражении уступают одно- и двухсторонним
платам.
По своей структуре МПП значительно сложнее двухсторонних плат. Они включают дополнительные экранные слои (земля и питание), а также несколько сигнальных слоев.
Для обеспечения коммутации между слоями МПП применяются межслойные переходы (vias) и микро-переходы (microvias).
Межслойные переходы могут выполняться в виде сквозных отверстий, соединяющих внешние слои между собой и с внутренними слоями, применяются также глухие и скрытые переходы.
Глухой переход - это соединительный
металлизированный канал, видимый только с верхней или нижней стороны платы. Скрытые же переходы используются для соединения между собой внутренних слоев платы. Их применение позволяет значительно упростить разводку плат, например, 12-слойную конструкцию МПП можно свести к эквивалентной 8-слойной. коммутации.
Специально для поверхностного монтажа разработаны микро-переходы, соединяющие между собой контактные площадки и сигнальные слои.
Для изготовления МПП производится соединение нескольких ламинированных фольгой диэлектриков между собой, для чего используются склеивающие прокладки - препреги. Поэтому толщина
МПП растет непропорционально быстро с ростом числа сигнальных слоев.
В связи с этим необходимо учитывать большое соотношение толщины платы к диаметру сквозных отверстий. Например, для МПП с диаметром отверстий 0,4 мм и толщиной 4 мм это соотношение равно 10:1, что является весьма жестким параметром для процесса сквозной металлизации отверстий.
Тем не менее, даже учитывая трудности с металлизацией узких сквозных отверстий, изготовители МПП предпочитают достигать высокой плотности монтажа за счет большего числа относительно дешевых слоев, нежели меньшим числом высокоплотных но, соответственно, более дорогих слоев.
В современных МПП широко применяется поверхностный монтаж всех видов современных интегральных схем, включая, как это показано на рисунке, бескорпусных схем, заливаемых компаундом после разварки выводов.
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.
Если учесть основное свойство таких плат - динамическую гибкость - становится понятным все возрастающий объем применения таких плат в автомобилях, бытовой технике, медицине, в оборонной и аэрокосмической технике, компьютерах, в системах промышленного контроля и бортовых системах.
Гибкие печатные платы (ГПП) изготавливаются на полиимидной или лавсановой пленке и поэтому могут легко деформироваться даже после формирования проводящего рисунка. Большая часть конструкций гибких ПП аналогична конструкциям печатных плат на жесткой основе.
|
Односторонние ГПП наиболее распространены в этом классе плат, поскольку проявляют наилучшую динамическую гибкость. Контактные площадки таких плат расположены с одной стороны, в качестве материала проводящей фольги чаще всего используется медь. |
|
|
Односторонние ГПП с двухсторонним доступом имеют один проводящий слой, контактные площадки к которому выполнены с обеих сторон платы. |
|
|
Двухсторонние ГПП имеют два проводящих слоя, которые могут быть соединены сквозными металлизированными переходами (на рисунке проводники нижнего слоя идут перпендикулярно проводникам верхнего слоя). Платы этого типа обеспечивают высокую плотность монтажа, часто применяются в электронных устройствах с контролируемым полным сопротивлением (импедансом) плат. |
|
|
Многослойные ГПП содержат не менее трех проводящих слоев, соединенных металлизированными отверстиями, которые обеспечивают межслойное соединение. В таких платах проще реализовывать высокую плотность монтажа, поскольку не требуется обеспечивать большие значения соотношений "высота/диаметр отверстия". Прогнозируется применение таких ГПП для сборки на них многокристальных интегральных схем. |
|
|
Жестко-гибкие ПП являются гибридными конструкциями и содержат как жесткие, так и гибкие основания, скрепленные между собой в единую сборку и электрически соединенные металлизированными отверстиями. Наиболее распространены в изделиях оборонной техники, однако расширяется их применение и в промышленной электронике. |
|
|
ГПП с местным ужесточением (укреплением).В таких платах возможно размещение внутри гибкой основы жестких металлических деталей. Получаются многоэтапным процессом фотолитографии и травления. |
В современных условиях разработка топологии печатной платы и ее подготовка к производству выполняются, как правило, разными специалистами: конструкторами и технологами.
Их интересы зачастую противоречивы: конструктор обычно стремится к максимальной плотности монтажа, технолог же вынужден учитывать возможности реального производства и проводить технологическую правку исходной топологии, как правило, несколько загрубляя ее.
Зачастую компромисс дается не просто. Не случайно опрос Британских производителей печатных плат показал,что в числе своих основных проблем они видят слишком малые размеры "проводник-зазор" (52 %) и плохое взаимопонимание с разработчиками (30 %).
В последние несколько лет заметна тенденция резкого сокращения сроков проектирования новых изделий и одновременно возрастание требованиям к их качественным характеристикам. Важно отметить , что создание любого электронного устройства включает в себя следующие этапы :
Данные системы позволяют реализовать следующие технические возможности:
Системы также позволяют вести обмен данными с другими пакетами САПР (система автоматизированного проектирования).
Системы поддерживает широкий набор цветных графических дисплеев, принтеров, плоттеров и фотоплоттеров, цифровых планшетов различных типов.
Введение
CAM (Computer Aided Manufacturing) - производство с использованием специализированного программного обеспечения. В случае печатных плат - CAM программы предназначены для создания управляющих программ для фотоплоттеров, сверлильных станков с ЧПУ и другого технологического оборудования.
В современных условиях разработка топологии печатной платы и ее подготовка к производству выполняются, как правило, разными специалистами: конструкторами и технологами.
Их интересы зачастую противоречивы: конструктор обычно стремится к максимальной плотности монтажа, технолог же вынужден учитывать возможности реального производства и проводить технологическую правку исходной топологии, как правило, несколько загрубляя ее. В своей работе технолог как правило использует программы для подготовки печатных плат к производству (в дальнейшем - CAM программы.)
Обобщенный процесс работы над проектом ПП с применением CAM программ
вычисление суммарной площади металлизации;
Таким образом, эти программы помогают в решении следующих проблем:
Автоматизация работы (макросы)
Отдельного внимания заслуживают возможности автоматизации (написания макросов).
Их преимущество заключается в следующем. Обычно технолог выполняет над каждым проектом однотипные операции. Кроме того, при оптимизировании проекта печатной платы, технолог исходит из конкретных параметров своего собственного производства. А значит, при обработке проекта задет программе стандартные значения. (например, технологических полей)
Программист даже невысокой квалификации (студент) способен в краткое время автоматизировать этот процесс. Работа технолога существенно упростится и ускорится.
В качестве примера можно привести случай импорта файлов, созданных в P-Cad в метрической системе, в программу CAM350. При этом все размеры увеличиваются в 2,54 раза. CAM350 позволяет уменьшить эти размеры, однако для этого надо выполнить следующие действия.
В то же время существует несложный макрос, мгновенно выполняющий все эти действия путем выбора одного-единственного пункта меню, который этот макрос добавляет к стандартным.
Рассмотрим более подробно некоторые из них.
|
сверление отверстий в заготовке фольгированного диэлектрика |
|
металлизация всей поверхности и стенок заготовки |
|
нанесение пленочного фоторезиста |
|
получение защитного рисунка в пленочном фоторезисте (экспонирование, проявление) |
|
травление медной фольги в окнах фоторезиста |
|
удаление защитного рисунка фоторезиста |
Субтрактивная технология предусматривает травление медной фольги на поверхности диэлектрика по защитному изображению в фоторезисте или металлорезисте. Эта технология широко применяется при изготовлении односторонних и двусторонних слоев МПП.
Вариант этого процесса применительно к платам с уже металлизированными отверстиями называется тентинг-процессом и показан на рисунке. Пленочный фоторезист создает не только маскирующее покрытие на проводниках схемы, но и защитные завески над металлизированными отверстиями, предохраняющие их от воздействия травящего раствора.
В случае, если проявление и травление ведется струйными методами с повышенным давлением, толщина фоторезиста должна быть не менее 45-50 мкм. Для надежного тентинга диаметр контактной площадки должен в 1,4 раза превышать диаметр отверстия, а минимальный гарантийный поясок контактной площадки быть не менее 0, 1 мм.
Субтрактивный процесс с использованием металлорезиста позволяет получить платы с металлизированными переходами и проводниками шириной менее 125 мкм при их толщине до 50 мкм.
В отличие от предыдущего варианта, фоторезистивную защитную маску получают над теми местами фольги, которые необходимо удалить. Затем последовательно осаждают медь (20-40 мкм) и металлорезист (олово-свинец 9-12 мкм) на освобожденные от пленочного резиста участки платы и на стенки отверстий. После удаления фоторезиста незащищенные слои меди вытравливаются, после этого металлорезист удаляют.
Аддитивные процессы позволяют уменьшить ширину проводников и зазоров до 50-100 мкм при толщине проводников 30-50 мкм. Один из перспективных вариантов реализации такого процесса с использованием электрохимического осаждения металлов (ПАФОС) показан на рисунке.
От субтрактивных процессов этот метод принципиально отличается тем, что металл проводников не вытравливают, а наносят. Проводящий рисунок создается на временных "носителях" - листах из нержавеющей стали, поверхность которых предварительное покрывается гальванически осажденной медной шиной толщиной 2-5 мкм.
На этих листах формируется защитный рельеф пленочного фоторезиста. Проводники получают гальваническим осаждением тонкого слоя никеля (2-3 мкм) и меди (30-50 мкм) во вскрытые в фоторезисте рельефы. Затем пленочный фоторезист удаляют и проводящий рисунок на всю толщину впрессовывают в диэлектрик.
Прессованный слой вместе с медной шиной механически отделяют от поверхности временных носителей. В слоях без межслойных переходов медная шина стравливается.
|
осаждение меди |
осаждение никеля |
прессование пакета |
При изготовлении двухсторонних слоев с межслойными переходами перед травлением тонкой медной шины создают межслойные переходы посредством металлизации отверстий с контактными площадками (рис. 3). Проводящий рисунок, утопленный в диэлектрик и сверху защищенный слоем никеля, не подвергается травлению при удалении медной шины. Поэтому форма, размеры и точность проводящего рисунка определяется рисунком рельефа в пленочном фоторезисте, то есть процессами фотолитографии.
Дальнейшее повышение плотности монтажа методом ПАФОС и уменьшение ширины проводников до 50 мкм и менее возможно при использовании лазерных методов формирования рисунка непосредственно в диэлектрике. Наиболее подходят для этого углекислотные лазеры, лучи которых могут быть сфокусированы до 35-40 мкм.
Отметим в заключение, что метод ПАФОС, основанный на прецизионной фотолитографии и лазерном экспонировании является ярким примером того, как на новом витке развития производства оказалась востребованной "древняя" технология изготовления ПП методом переноса [3]. Ведь при описании разновидности этого метода, основанной на общепринятой 30 лет назад трафаретной печати, уничижительно отмечалось, что "...она еще находит применение в промышленности".
а) подготовка информации
1. Разработка принципиальной схемы устройства.
2. Трассировка (Программные продукты: Pcad, Orcad, Accel Eda и др. Форматы файлов Pcad, Dxf, Gerber ). На этом этапе принципиальная электрическая схема преобразуется в схему разводки слоев. Очень важно при автоматической разводке правильно выбрать технологические параметры платы (допустимые зазоры, количество слоев, ширина поясков между отверстиями и контактными площадками.
3. Доработка файлов. Вывод файлов сверления и фрезерования.(Программные продукты: CАМ 350, Instant САМ, Circuit САМ).
Последний этап имеет большое значение, т.к. ошибки на этом этапе приведут к браку во всей партии. Правильная оптимизация данных, рисунка и положения элементов платы.
б) изготовление фотошаблонов
На этом этапе производится изготовление фотошаблонов, которые затем используются для формирования топологического рисунка внутренних и внешних слоев печатной платы при экспонировании. Различают позитивные и негативные фотошаблоны.
С точки зрения обеспечения совмещаемости слоев этот этап является одним из основных, т.к. если фотошаблоны будут иметь погрешности, это отразится на всей партии деталей. Очень важно контролировать совмещаемость фотошаблонов друг с другом и проводить контрольный замер фотошаблонов.
Листы стеклотекстолита нарезаются на заготовки. Очень важно правильно выбрать размеры заготовок, т.к. от этого зависит коэффициент использования материала. Обычно размер заготовок выбирается кратным листу стеклотекстолита (914,4x1220 мм).
Резка заготовок может производится на гильотинных ножницах(ручных или автоматических) или на роликовых ножницах.
На Рис. 1.2.3, а показана заготовка внутреннего слоя многослойной печатной платы. Диэлектрический материал, например текстолит, ламинированный медной фольгой.
На этом этапе в заготовке изготавливается набор базовых отверстий. Тип и размер этих отверстий зависит от выбранной системы базирования(см. раздел системы базирования). Обычно базовые отверстия круглой формы выполняются сверлением, а овальной - вырубкой.
Обеспечение максимальной точности изготовления базовых отверстий на этом этапе обеспечит нормальную совмещаемость слоев и отверстий на последующих этапах.
Следующий этап - нанесение пластичного фоточувствительного материала на заготовку .Заготовка очищается и приготавливается к нанесению фоторезиста. Этот этап проходит в чистой комнате с желтым освещением. Резист светочувствителен (обычно к ультрафиолету) и при долгом не использовании разрушается.
а) размещение фотошаблона
На заготовке размещается фотошаблон. На рисунке изображена только его малая часть. Круг, часть которого изображена, в последствии будет соединением с внутренним слоем. Изображение на фотошаблоне негативное по отношению к будущей схеме. Под темными участками фотошаблона медь не будет удалена.
Этот этап является наиболее ответственным с точки зрения обеспечения совмещения. При использовании систем базирования точность совмещения определяется точностью изготовления базовых отверстий в заготовках и фотошаблоне, типа системы базирования.
В случае ручного совмещения точность зависит от квалификации и усталости оператора.
Наиболее точной системой совмещения является автоматическая оптическая система совмещения - система анализирует расположение реперных знаков и выбирает оптимальное положение фотошаблона.
б) экспонирование фоторезиста
Участки поверхности незащищенные фотошаблоном засвечиваются. Фотошаблон снимается. После этого засвеченные участки могут быть удалены химически .
Эти операции производятся в установках химической обработки. Существует несколько типов установок: струйные, погружные. Существуют установки конвейерного типа и с ручной загрузкой. Эти этапы оказывают косвенное влияние на совмещаемость, однако на этих этапах возможно появление большого числа других погрешностей (проколы, подтравы и др.).
а) проявление
Засвеченные участки фоторезиста удаляются ,оставляя фоторезист только в тех областях, где будут проходить дорожки платы. Назначение фоторезиста - защитить медь под ним от воздействия травителя на следующем этапе.
б) травление
Заготовка травится для удаления ненужной меди . Резист, оставшийся на поверхности предохраняет медь под ним от травления. Вся незащищенная медь удаляется, оставляя диэлектрическую подложку. После травления дорожки схемы созданы и внутренний слой имеет требуемый рисунок.
в) удаление резиста
Резист удаляется, открывая не вытравленную медь . Теперь заготовка представляет собой полностью готовый внутренний слой. В нашем примере она будет вторым и третьим слоями будущей платы. Наследующем этапе на нее наносятся верхний (первый) и нижний (четвертый) слои платы.
На этом этапе плата собирается в пакет состоящий из внутреннего и внешних слоев, проложенных препрегом (материалом служащим в качестве клея). На границах пакета необходимо использование дополнительных слоев, служащих для защиты пластин пресса от попадания расплавленного препрега и простоты разборки пакета. Прессование производится в вакууме в несколько этапов, сперва при относительно небольших усилиях (при определенных температурах), затем при больших усилиях и больших температурах. Граничной точкой является точка гелеобразования препрега. Очень важным является правильное определение этой точки, т. к. если подать 2е усилие до точки гелеобразования заготовка будет содержать пустоты, а если после, то препрег перейдет в стеклообразное состояние и произойдет его выкрашивание.
Точность совмещения слоев при прессовании в основном определяется системой совмещения, а так же точностью используемой оснастки.
Отверстия на плате служат двум целям: обеспечивать соединение между слоями и для монтажных целей . Платы сверлятся на станках с программным управлением, часто называемым обрабатывающими центрами.
Этот этап является одним из ключевых этапов, определяющих точность платы. Точность сверления определяется классом оборудования, а так же его настройкой.
Этот этап служит для покрытия отверстия тонким слоем металла . Проблема в том, что поверхность отверстия непроводящая. Для металлизации плата помещается в ванну, где плата полностью химически покрывается тонким слоем паладия. Сущность процесса химическая и в результате покрываются как диэлектрические, так и металлические поверхности.
а) нанесение резиста
Далее плата покрывается резистом, резист засвечивается через фотошаблон, засвеченные участки удаляются . Эти этапы аналогичны описанным ранее с одним отличием: резист удаляется с участков , где будет наносится медь. Следовательно, изображение на фотошаблоне должно быть позитивным. Этап совмещения фотошаблона и заготовки является ключевым в обеспечении совмещаемости.
б) электролитическое нанесение меди
Медь наносится на поверхность отверстия до толщины 0,25мм . Медь, осажденная ранее на поверхность отверстия достаточно толстая, чтобы проводить ток, необходимый для электролитического осаждения меди. Это необходимо для надежного электрического соединения сторон и внутренних слоев платы.
в) оловянно-свинцовое покрытие
Оловянно-свинцовое электролитическое покрытие выполняет две важные функции. Во-первых, оловянно-свинцовая смесь выступает резистом для последующего травления. Во-вторых, она защищает медь от окисления. Если плата производится не по процессу SMOBC, тогда эта смесь может быть расплавлена в печи для лужения дорожек.
г) удаление резиста
Резист удаляется , оставляя оловянно-свинцовую смесь (припой) и нанесенную медь. Медь, покрытая припоем, выдержит процесс травления и образует собой рисунок платы.
д) травление меди
На этом этапе припой используется как резист для травления . Незащищенная медь удаляется, оставляя на плате рисунок будущей схемы.
е) удаление припоя
Припой удаляется с поверхности меди и плата очищается . Это начало процесса, называемого SMOBC ( solder mask over bare copper - маска поверх необработанной меди ). В других процессах, оловянно-свинцовая смесь расплавляется для дальнейшего использования (лужение).
Для защиты поверхности платы, где в дальнейшем не потребуется пайка, наносится маска . Существует несколько типов масок и методов ее нанесения. Фоточувствительная маска наносится тем же способом, что и фоторезист и обеспечивает высокую точность процесса. Нанесение через трафарет не обладает такой точностью, но материал маски более пластичен, и стоимость процесса ниже.
Одна из задач, стоящих при изготовлении современных печатных плат, заключается в значительном повышении коммутационных (трассировочных) возможностей ПП.
Основными направлениями выполнения этого требования явилось уменьшение шага трассировки (минимального расстояния между центрами проводников проводящих слоев) и увеличение числа проводящих и изоляционных слоев.
Уменьшение шага трассировки имеет следующие недостатки: усложнение и удорожание технологических процессов (повышается класс точности изготовления ПП); значительное уменьшение шага трассировки незначительно увеличивает трассировочные возможности. Это происходит потому, что переходы не могут быть существенно уменьшены, а каждый из них обычно имеет на проводящих слоях контактные площадки большего размера, чем сами переходы.
Увеличение числа слоев обладает следующими недостатками: существенное усложнение, удорожание и увеличение цикла изготовления ПП; снижение процента выхода годных ПП; снижение надежности ПП.
В результате поиска альтернативы, обеспечивающей повышение коммутационных возможностей ПП была разработана конструкция рельефной платы (РП).
Современное производство печатных плат (ПП) отличается широкой номенклатурой и быстросменностью выпускаемых изделий, большими объемами производства, постоянным повышением требований к параметрам плат. Все это объясняет огромный объем разработок в области технологии производства ПП, постоянное совершенствование и обновление технологического и контрольного оборудования.
Многообразие вариантов конструкций ПП, технологических принципов и методов их промышленного производства затрудняют структурирование и систематизацию материалов по этим направлениям.
В данном сайте принята за основу систематизация информации на основе выделения целевых технологических блоков. Каждый такой блок включает информацию о технологических методах, процессах, материалах, реактивах, оборудовании, оснастке и инструментах, обеспечивающих достижение определенной технологической цели.
Рассмотрение технологических блоков проведено для жестких многослойных печатных плат (МПП), составляющих основной сегмент современного производства. Для большинства технологических методов приведены возможные альтернативы.
Сверление - наиболее распространенный метод получения отверстий однослойных и многослойных печатных платах. Эти отверстия используются:
Во-первых, для создания электрического соединения между верхней и нижней сто-ронами плат (или внутренними внешними слоями в МПП).
Во-вторых, для монтажа DIP компонентов.
Сверлением можно получать как сквозные, так и глухие отверстия. Методы свер-ления для двухсторонних и многослойных печатных плат практически идентичны - и в том, и в другом случаях используются автоматизированные сверлильные станки с ЧПУ. Эффективность сверления в производственных условиях определяется рядом факто-ров: параметрами оборудования (производительность, координатная точность, частота вра-щения шпинделя), видом и материалом сверл, особенностями технологической оснастки, режимами обработки, и квалификацией персонала.
Отверстия, изготовляемые сверлением, получают на установках сверления (часто и фрезерования) с числовым программным управлением. Это связано с огромным количест-вом отверстий на плате, особыми требованиями к точности взаимного расположения от-верстий и производительности.
Перемещение в горизонтальной плоскости происходит с помощью ходовых винтов, приводимых шаговыми двигателями. Следовательно их качество и состояние будет сильно влиять на точность позиционирования шпинделя. Чистота среды вокруг установки опреде-ляет, как часто необходимо проводить чистку и смазывание, для предотвращения износа винтов. Большинство производителей рекомендует проводить эту операцию каждые 6 ме-сяцев. При смазке ходовых винтов необходимо обеспечивать тонкий слой соответствующе-го масла. Долгий (непрерывный) поиск заданной координаты является следствием проблем с ходовыми винтами или шаговыми двигателями. Если это происходит, то индикаторы ко-ординат изменяются даже при отсутствии запрограммированного перемещения.
В основном применяются механические приводы для оси Z. Это обусловлено большим ходом и распространенностью. Существуют установки (например LPKF ProtoMat) вертикальный ход инструмента которых обеспечивается электромагнитным или пневмоприводом.
Электрошпиндель должен обеспечивать достаточную частоту вращения сверла, и достаточный передаваемый момент на сверло. Большая частота вращения обеспечивает большую производительность. Так как электрошпиндель перемещается с помощью ходовых винтов и шаговых двигатель, его габариты должны быть соответствующими.
Электрошпиндели можно разделить на три группы в зависимости от выполняемых технологических операций:
Установка может, производится как в ручную, так и автоматически. Инструмент во втором случае устанавливается из специальных кассет. При установке инструмента вручную, производительность намного ниже, чем при автоматической.
В некоторых современных установках используется так же устройства контроля за состоянием сверла.
Под режимами сверления будем подразумевать скорость вращения шпинделя (скорость резания) и подачу. Скорости резания и подачи должны выбираться так, чтобы получить оптимальные соотношения между высокой производительностью, стойкостью сверл и хорошим качеством отверстий. Оптимальная скорость резания подбирается для каждого типа материала и каждого типа конструкции ПП и тщательно, потом поддерживается в процессе производства. При оценке параметров резания следует иметь в виду, что скорость вращения сверла - величина непостоянная: в зависимости от момента инерции шпинделя он получает то или другое замедление по мере врезания сверла в тело платы, при пересечении различных слоев материала шпиндель получает разное замедление.
Скорость подачи выбирается из тех соображений, что слишком малая подача увеличивает нагрев сверла и стенок отверстия, большая подача ограничена геометрией сверла - главный задний угол, а должен быть всегда больше, чем угол реза.
Современное автоматическое оборудование позволяет высверливать отверстия с точностью, большей достигаемой обычно в условиях производства. Причина этого заключается в том, что на точность сверления оказывает влияние ряд факторов, связанных с неточностями геометрии сверл и особенностями стеклотекстолитов.
Чем острее и прочнее сверло, тем меньше его доля в суммарной ошибке. Та или иная степень разбалансировки, присущая любому сверлу, всегда приводит к эксцентриситету. Прочные стеклянные волокна стеклоткани отклоняют сверло, ему легче ввинчиваться в мягкую смолу. Ясно, что точность сверления будет выше в материале, армированном тонкой стеклотканью. Поэтому точность сверления повышается с уменьшением толщины стекловолокна, плотности переплетения, увеличения диаметра сверла и содержания связующего. По мере увеличения стопы ПП отклонение сверла становится все более заметным в нижних платах. Центрирование сверла можно намного улучшить, используя головку прижима или короткие сверла. При сверлении прецизионных ПП использование головки прижима обязательно, при этом запрещается сверление более одной ПП в пакете.
Сверло - основной инструмент используемый, для получения отверстий в производстве печатных плат. Общий вид сверла представлен на рисунке.
Сверла в основном изготовляют из карбида вольфрама. Его большое сопротивление износу (и относительно низкая стоимость) делают его наиболее подходящим материалом для сверления очень абразивных материалов. Однако это хрупкий материал, что накладывает особые требования к хранению и уходу за сверлами.
Сверла для обработки печатных плат отличается от общих машиностроительных. Рассмотрим эти особенности:
На рисунке изображены отличительные признаки сверл для
сверления отверстий в печатных платах:
1 - предельно малая толщина режущей грани;
2 - большое стружко-отводное пространство;
3 и 4 - большая симметрия режущих кромок;
5 - обратная конусность рабочей части сверла - X;
6 - утолщающаяся к основанию сердцевина сверл улучшенной конструкции - у;
7 - цилиндрический участок рабочей части сверла улучшенной конструкции;
Многие из приведенных параметров геометрии и поверхности сверл можно получить только на специальном прецизионном станке, снабженном набором алмазных кругов различной зернистости. Только при этих условиях можно затачивать твердосплавные сверла, которые по качеству шлифованной поверхности не отличались от требований ГОСТ 22095 и технологической документации.
Стружко-отводное пространство можно увеличить только уменьшением толщины сердцевины сверла. Это влечет за собой опасность увода сверла, особенно при сверлении без направляющих втулок. Компромиссное решение состоит в выполнении сердцевины в виде конуса с основанием у хвостовика.
Какой бы малой ни была обратная конусность сверла, переточка, так же как и износ, приводит к постепенному уменьшению его диаметра. Чтобы замедлить этот процесс, начало рабочей части сверла на небольшой длине можно сделать цилиндрической. Однако такой конструкции сверла свойствен повышенный нанос смолы, поэтому для сверления печатных плат их используют редко. В основном они применяются там, где требуется повышенная точность диаметра отверстия, например для сверления отверстий под запрессовку штифтов в плату.
Влияние конструкции сверла на качество сверления. Качество отверстий решающим образом зависит от геометрии рабочей части сверл. Слишком большой угол при вершине сверла ведет к осевому отклонению сверла при соприкосновении его с материалом основания, слишком малый - к осевому отклонению внутри материала, образованию крупной стружки, которая плохо удаляется и приводит к повышенному износу сверла. Хотя, нужно заметить, с уменьшением угла при вершине сверла до 80° наблюдается уменьшение наволакивания смолы. Оптимальный угол при вершине приблизительно равен 125°.
Образующаяся при сверлении фольгированного стеклопластика трехкомпонентная стружка обладает рядом неприятных свойств, с которыми приходится считаться: медная стружка, обладая малой долей упругой деформации, способна сминаться и забивать спиральную канавку; смоляное крошево, обладая хорошей адгезйонной способностью, будучи подогретым тепловыделениями при резании, налипает на стенки спиральной канавки; стеклянный скол - абразивный материал.
Полировка поверхности канавок обеспечивает хорошее скольжение медной и стеклянной стружки, предотвращает прилипание к ней крошек смолы. Тем не менее гарантии бесперебойного отвода стружки наступают при достаточно широких отводных каналах, если площадь спиральных канавок приблизительно вдвое больше, чем площадь остальной внешней поверхности сверла. Малый угол подъема винтовых канавок приводит к зажиму режущей кромки.
Износ сверл происходит главным образом на режущих кромках - это углы режущих кромок, главные грани, ленточки, главная режущая кромка, вспомогательные режущие кромки. Непременное условие хорошего качества сверл после переточки - отсутствие скруглений главной режущей кромки. Опыт показывает, что этого можно достичь только при шлифовании грани не менее чем на 0,3 мм. Для переточки твердосплавных сверл необходим специальный станок, аттестованный по точности исполнения геометрии сверла.
Несмотря на возможность хорошей переточки изношенных сверл, в производстве прецизионных печатных плат она используется ограниченно. Износ приводит к такому изменению диаметра сверления, что зазор в направляющей втулке становится слишком большим. Так, сверло диаметром 1,0 мм в направляющей втулке диаметром 1,01 мм может иметь смещение на сторону порядка 0,05 мм. Поэтому уже зазор 0,01 мм является большим для точного центрирования. А вновь заточенное изношенное сверло, диаметр которого уменьшается каждый раз по крайней мере на 0,01 мм, будет иметь большой люфт в направляющей втулке. Исходя из этого становится понятным, почему использование направляющих втулок ограничено, помимо того что при переточке сверл они мало эффективны для центрирования. И вместе с этим их применение обладает рядом недостатков: плохое удаление стружки, ухудшение теплоотдачи, необходимость использования сверл с длинной рабочей частью, частая поломка сверл при входе в направляющую втулку, более сложная установка сверл, затруднения при автоматической смене сверл.
Изготовленные на заводе сверла, как правило, не нуждаются в проверке. Перезаточенные сверла нужно проверять в первую очередь на правильность заточки вершины сверла.
Стойкость твердосплавных сверл между переточками составляет 1000…1300 отверстий, что соответствует суммарной глубине 1500…2000 мм. Критерий затупления - износ по задней поверхности режущей части 0,05\ldots0,07 мм для сверл диаметром до 1 мм и 0,07…0,08 мм для сверл диаметром свыше 1 мм.
Технологическая оснастка играет важную роль в процессе получения отверстий в печатных платах. В нее входят: надплатники, подплатники, маркировочные кольца и центрирующие штифты.
Назначение:
Материалы
Существует много материалов которые можно использовать для надплатников, однако есть специально полученные для этой цели материалы. Эти материалы были разработаны для улучшения точности сверления и уменьшения риска разрушения сверла.
Материалы используемые для подплатников:
Рабочие характеристики.
При правильно подобранном материале надплатника, он будет улучшать совмещение отверстий и уменьшать риск выхода из строя сверла, уменьшая прогиб сверла до контакта с пакетом плат. В соответствии с этим он должен быть ровным и не иметь ямок, вмятин и царапин. Деформированный или изогнутый надплатник будет причиной появления дополнительных металлических заусенцев, что приведет к преждевременному выходу из строя сверла. Поверхностные дефекты и твердые материалы слишком изгибающие сверло, будут уменьшать точность сверления и, при небольших диаметрах, способствовать разрушению сверла. Фенольные материалы и сплавы (т. е. Фенольный плакированный алюминий) обычно деформированы. При обычных условиях сверления это послужит усиленному загрязнению отверстий медью с поверхности. В результате возникнут проблемы с металлизацией отверстий, т. к. палладий (или другой металл) не осаждается на медь. Алюминиевые сплавы (как и алюминий) с правильно подобранными характеристиками (состав - толщина - твердость) удовлетворительно работают только при больших диаметрах сверл. С малыми же сверлами (менее 0,02 мм) существует риск разрушения сверла. Алюминиевый плакированный композит с целлюлозной сердцевиной обеспечивает твердость поверхности достаточную для предотвращения появления заусенцев, но одновременно уменьшает прогиб и вероятность разрушения сверла (как у алюминия и его сплавов).
Назначение:
Материалы
Существует множество материалов, которые можно использовать для подплатника. Некоторые материалы, используемые для подплатников были специально разработаны. Эти материалы: композиты различными поверхностными покрытиями или материалы с нанесенным поверхностным слоем.
Основные материалы, используемые для подплатников:
Рабочие характеристики
Желательные свойства материала подплатника следующие: минимальное изменение толщины, плоскостность (отсутствие неровностей, коробления и изгибов), не абразивность, не загрязняет, имеет гладкую поверхность, низкую энергию резания (для уменьшения температур резания), также поверхность этого материала должна быть твердой, что обеспечивается медным покрытием, и не должен повреждать или налипать на сверло.
Материалы подплатников со смазочными свойствами на 50% или более снижают температуру сверления. Обычно эта температура ниже температуры плавления покрытия рассверливаемого материала. Это обстоятельство сильно снижает дефекты стенок отверстия, что в свою очередь позволяет увеличивать размер пакета рассверливаемых плат, и увеличивает срок службы сверла. Это очень важно, т. к. уменьшает стоимость отверстия и увеличивает продуктивность и выход годного.
Нужно помнить, что при сверлении часть материала подплатника остается на сверле, и при его выходе может происходить загрязнение отверстия. Материалы содержащие (или просто) фенолы не очень пригодны для использования в качестве подплатников. Фенольные материалы или композиты обычно деформированы и при большинстве условий сверления будут загрязнять стенки отверстий, в результате чего возникнут проблемы с адгезией палладия (или другого осаждаемого материала).
Посадочные кольца предназначены для обеспечения единой длины от вершины сверла до плоскости кольца. Это необходимо для контроля глубины резания. Поэтому качество этих колец может сильно влиять на качество сверла вообще. Посадочные кольца напрессовываются на сверло. Слабо напрессованное кольцо приводит к его смещениям относительно вершины сверла и следовательно к неконтролируемой (часто недостаточной) глубине резания. Слишком сильно напрессованное кольцо может сломаться. При несносности или не параллельности внутреннего и внешнего цилиндра кольца, возникают проблемы с посадкой сверла (с кольцом) в шпиндель или кассету. В последнем случае это может вызвать неполадки со сменой инструмента в процессе работы.
Посадочные кольца выполняют разных цветов в зависимости от диаметра, на них также наносят величину диаметра и/или длину рабочей части сверла и/или серийный номер. Так что посадочные кольца выполняют две функции:
Центрирующие штифты могут быть различной формы и размеров. Их стоимость в общей стоимости изготовляемой платы незначительна. Очень часть центрирующие штифты разрушаются или деформируются (т.е. сжимаются при установке в пакет). Если штифты посажены недостаточно плотно, то это (в следствие смещения плат) может вызывать множество проблем - от увеличения заусенцев и других дефектов отверстия до плохой точности взаиморасположения или поломки сверла. Для решения этих проблем достаточно своевременно менять штифты. Рационально использовать штифты диаметра. Штифты с диаметром меньшим чем могут вызывать смещения пакета плат.
Электрический контроль - важная часть производства печатных плат. Он предназначен для проверки целостности - разобщения печатных плат, что включает в себя проверку на обрыв цепи, короткое замыкание, правильность топологии.
В основе электрического контроля лежит наличие в системе "зонд-проводник платы-зонд" или "зонд-проводник платы-компонент-проводник платы-зонд" контакта. Наличие проводимости в платах обусловлено взаимным расположением цепей и их целостностью в топологии плат.
6. Сборка печатных плат
Особенностью современного производства электронных устройств является все более широкое применение больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС). При этом существенно возрастает количество выводов каждой схемы, расстояния между выводами уменьшаются с 2,5 мм до 0,625 мм и менее.
Установка многовыводных корпусов БИС И СБИС на печатные платы технически и экономически более эффективна не в сквозные отверстия, а на контактные площадки, расположенные на поверхности печатных плат.
Этим объясняется все боле широкий переход от монтажа компонентов в отверстия (PTH - Plated Through Hole) к технологии поверхностного монтажа (SMT - Surface Mount Technology).
Вместе с тем, в в настоящее время в большинстве серийных электронных блоков применяют как поверхностный монтаж, так и монтаж в отверстия. Это связано с тем, что конструкции ряда компонентов не пригодны для поверхностного монтажа. Кроме того, в устройствах, работающих в условиях ударных и вибрационных перегрузок, предпочитают монтаж в отверстия из-за более надежного крепления компонентов.
(Surface-Mount Technology - технология поверхностного монтажа)
В электронной промышленности существует шесть общих типов SMT сборки, каждому из которых соответствует свой порядок производства. Когда разработчик выбирает тип сборки, его целью должна быть минимизация числа операций, так как каждая операция может увеличивать промышленную стоимость. Существует специальный стандарт, в котором представлены основные виды сборок, разбитые по классам.
SMC и IPC документация по поверхностному монтажу на платы, IPC-7070, J-STD-013 и National Technology Roadmap for Electronic Interconnections включают следующие классификацию следующих схемы поверхностного монтажа:
Операции используемы при различных типах сборки:
Ниже будут рассмотрены основные варианты размещения компонентов на плате, применяемые разработчиками. Варианты, где используются корпуса компонентов типа: Ultra fine pitch, COB, Flip Chip, TCP пока не рассматриваются, так как российскими разработчиками печатных плат они почти не используются.
Этот тип не является общим так как большинство разработок требует некоторых DIP компонентов. Его называют IPC Type 1B.
Порядок проведения процесса:
На нижней стороне платы размещаются чип-резисторы и другие компоненты небольших размеров. При использовании пайки волной, они будут повторно оплавляться за счет верхнего (побочного) потока волны припоя. При размещение больших компонентов с обеих сторон, типа PLCC, увеличивают издержки производства, потому что компоненты нижней стороны должны устанавливаться на специальный токопроводящий клей. Данный тип называется IPC Type 2B.
Порядок проведения процесса:
Этот метод установки используется, когда имеются DIP компоненты, в SMT сборке. Процесс включает размещение DIP компонентов, вставляемых в отверстия перед SMT пайкой. При использовании данного метода убирается лишняя операция пайки волной или ручной пайки PTH компонентов, что значительно уменьшает стоимость изделия. Первое требование - способность компонентов противостоять вторичной пайки. Кроме того, размеры отверстия платы, контактные площадки и геометрия трафарета должны быть точно совмещены, чтобы достичь качественной спайки. Плата должна иметь сквозные металлизированные отверстия и может быть односторонней или двухсторонний, то есть компоненты могут размещаться как с верхней так и с нижней стороны.
Обязательным требованием при использовании данного метода является наличие сквозных металлизированных отверстий.
Порядок обработки односторонней печатной платы:
Порядок обработки двухсторонней печатной платы:
Данный метод является смешанной технологией сборки. Все модули SMT и PTH установлены на верхней стороне платы. Допускается установка некоторых компонентов монтируемых в отверстия (PTH) на верхней стороне платы, где размещены SMT компоненты для увеличения плотности. Данный тип сборки называется IPC Type 1C.
Порядок проведения процесса:
Установка поверхностно монтируемых и монтируемых в отверстия (DIP) компонентов с обеих сторон платы не рекомендуется из-за высокой стоимости сборки. Эта разработка может требовать большого объема ручной пайки. Также не применяется автоматическая установка PTH компонентов из-за возможных конфликтов с SMT компонентами на нижней стороне платы. Данный тип сборки называется IPC Type 2C.
Порядок проведения процесса:
Данный тип предполагает размещение поверхностного крепления с нижней стороны платы и PTH на верхней стороне. Он также является одним из очень популярных видов размещения, т.к. позволяет значительно увеличить плотность размещения компонентов. Тип имеет название IPC Type 2C.
Порядок обработки (PTH конфликтов на нижней стороне нет):
Альтернативный порядок обработки (PTH конфликтов на нижней стороне):
Данный тип позволяет располагать поверхностно монтируемые компоненты с обеих сторон платы, а DIP компоненты только на верхней. Это очень популярный вид сборки у разработчиков, позволяющий разместить компоненты с высокой плотность. Нижняя сторона SMT компонентов остается свободной от осевых элементов и ножек DIP компонентов. Например, нельзя размещать микросхемы между ножками DIP компонента.
Порядок проведения процесса (без размещения поверхностно монтируемых (SMT) между ножками монтируемых в отверстия (PTH) компонентов на нижней стороне платы):
Альтернативный порядок проведения процесса (на нижней стороне платы поверхностно монтируемых (SMT) компоненты размещены между ножек монтируемых в отверстия (PTH)):
Технологический маршрут сборки печатных плат выглядит так.
Для крепления компонентов на печатную плату используются как метод нанесения припойной пасты, так и метод проводящих адгезивов. Метод нанесения припойной пасты - это наиболее широко используемый метод установки компонентов. Проводящий адгезив сейчас не используется широко в массовом производстве, хотя он используется в изготовлении товаров общего потребления. В методе нанесения припойной пасты наносится непосредственно на контактные площадки печатной платы. Каждый из методов требует своих специальных приспособлений и материалов.
Припойные пасты, использовавшиеся ранее в производстве гибридных микросборок, были значительно улучшены применительно к технике поверхностного монтажа. Однако при разработке высоконадежного и экономически эффективного процесса изготовления изделий инженер-технолог должен выбрать припойную пасту с характеристиками, оптимально удовлетворяющими требованиям технологии производства конкретного изделия.
Характеристики припойных паст в первую очередь определяются их составом.
Припойные пасты, как правило, представляют собой смесь мелкодисперсного порошка материала припоя со связующей жидкой основой; при этом содержание порошка припоя составляет приблизительно 88 % от веса всей смеси (обычно этот показатель меняется в пределах от 85 до 92 %). Однако чаще всего состав припойных паст выражают через соотношение ингредиентов материала припоя. Так, например, 63/37 означает содержание в составе материала припоя 63 % олова и 37 % свинца, а 62/36/2-62 % олова, 36% свинца и 2 % серебра. Хотя оба этих состава довольно часто используются для приготовления припойных паст в ТПМК, существуют некоторые опасения, что присутствие в составе припоя добавки серебра способствует ускорению процесса выщелачивания серебра, входящего в состав материала выводов компонентов для поверхностного монтажа.
Характеристики частиц материала припоя в припойной пасте оказывают существенное влияние на качество паяного соединения. Наиболее важным параметром, характеризующим припойный материал, является размер частиц припоя, который выражается в мешах (единицах измерений при классификации номеров сит). Так, 200/+325 означает припойную пасту, частицы которой проходят через сито номер 200, но не проходят через сито номер 325 после предварительного удаления крупнодисперсных частиц, т. е. их размер лежит в диапазоне 44-74 мкм. Если припойная паста наносится на коммутационную плату методом трафаретной печати, рекомендуется применять припойную пасту, у которой максимальный размер частиц припоя составляет половину размера ячейки трафарета.
Форма частиц материала припоя также оказывает существенное влияние на процесс трафаретной печати; считается, например, что использование в составе паст частиц припоя сферической формы облегчает процесс трафаретной печати, в то время как наличие частиц другой, отличной от сферической, формы может способствовать появлению загрязнений (например, трафарета), затрудняющих процесс печати. Частицы неправильной формы могут, кроме того, способствовать ускорению процессов окисления материалов припоя. Пульверизация расплавленного припоя, с помощью которой наиболее просто получить порошкообразные припои, образует частицы преимущественно сферической формы. Использование паст со сферическими частицами припоя позволило достичь требуемую воспроизводимость технологического процесса от одной партии изделий к другой при формировании рисунка припойной пасты.
Флюс в составе припойных паст служит не только для активации контактируемых металлических поверхностей, удаления с них окислов и предотвращения окисления припоя в процессе пайки (что необходимо для создания паяного соединения), но и обеспечивает требуемую растекаемость (реологию), а также изменение вязкости со временем (тиксотропность) при нанесении припойной пасты на коммутационную плату. Если состав припойной пасты имеет недостаточную вязкость, она будет растекаться, или "расползаться", что, несомненно, приведет к потере точности рисунка, обеспечиваемой трафаретом, а это в свою очередь может послужить причиной образования шариков припоя или перемычек в процессе пайки. Кроме того, количество припойной пасты, нанесенной на плату, в ряде мест может оказаться недостаточным из-за ее растекания по плате.
Для уменьшения растекания припойной пасты можно увеличить процентное содержание в ней порошка припоя. Можно также изменить химический состав флюса путем введения в него специальных вяжущих добавок (загустителей), но здесь нужно соблюдать меру, ибо в противном случае может произойти закупорка сопла дозатора или ячеек трафарета.
Флюс должен удалять окислы с контактируемых металлических поверхностей при пайке. Для эффективного протекания этого процесса очень важно правильно выбрать необходимый температурно-временной режим) пайки. Если во время разогрева платы температура повышается слишком быстро, то растворитель, входящий в припойную пасту в составе флюса, сразу испаряется, что приводит к потере активности флюса и разложению или выгоранию его компонентов; при этом расплавление припоя осуществляется неравномерно, а процесс пайки - непредсказуемо. Если же нагревательный цикл завершен преждевременно, то окислы в местах паяных соединений могут быть не полностью удалены. Формирование слоя припойной пасты рекомендуется производить в химически инертной атмосфере (для избежания окисления припоя). Некоторые сборочно-монтажные системы разработаны с учетом этой возможности.
Используемая припойная паста должна быть пригодна для реализации выбранного способа пайки, например в ПГФ либо с ИК-нагревом. Кроме того, паста должна быть совместима с остальными операциями технологического цикла. Пока еще трудно утверждать, нужна ли просушка припойной пасты после ее нанесения на плату с целью предотвращения быстрого испарения растворителя во время пайки и, соответственно, исключения вероятности искажения заданного рисунка припойного слоя. Просушка, несомненно, эффективна еще и с точки зрения улучшения фиксации компонентов, по крайней мере на период транспортировки собранной платы в зону пайки. И вместе с тем, если просушка паст применяется, то нужно принять соответствующие меры для предотвращения окисления припойного материала. При этом исправление брака и удаление припойной пасты существенно усложняются.
Промежуток времени между нанесением припойной пасты на коммутационную плату и процессом пайки является еще одним фактором, который нужно учитывать при выборе пасты; длительный промежуток времени может привести к ухудшению электрофизических параметров пасты. Припойная паста не должна ухудшать свои параметры не только в условиях термообработки при повышенной температуре, но и в условиях циклического воздействия температуры, которым подвергается плата как в процессе пайки, так и на других этапах изготовления изделия.
В дополнение к этому припойная паста должна быть стойкой к воздействию химических реактивов, используемых в ТПМК, особенно во время очистки смонтированных плат, в процессе которой применяются органические растворители на основе хлора и фтора, а также вода. Несомненно, припойная паста должна быть совместима с материалами коммутационной платы, а также с технологическими процессами, в которых она участвует. Распространенными материалами выводов или внешних контактов электронных компонентов являются золото, серебро, палладий-серебро, медь, а также луженая медь, и припойная паста должна выбираться таким образом, чтобы исключить выщелачивание этих материалов в местах пайки и повысить надежность паяного соединения.
Наиболее важным в массовом производстве печатных плат, является метод трафаретного нанесения припойной пасты, в котором паста продавливается через трафарет (окна) на контактные площадки печатной платы. Припойная паста уже содержит в себе и припой, и флюс, а их пропорция одна из важных характеристик пасты. Материалом трафарета может быть как сплав никеля, так и нержавеющая сталь. Отверстия в трафарете обычно прорезаются лазером или протравливаются.
В массовом производстве этот метод эффективен, но относительно не гибок, так как свой собственный трафарет (причем несколько) требуется для каждой платы. Гибкость достигается только за счет быстрой смены трафарета и автоматического распределения пасты. Основные этапы этого метода показаны на рисунке.
При проведении скребком по поверхности трафарета припойная паста продавливается сквозь отверстия в трафарете на контактные площадки. Наиболее важной фазой этого процесса является продвижение пасты вдоль поверхности трафарета, она должна продвигаться с правильной силой, углом и скоростью. Трафарет и скребок должны быть чистыми и паста должна иметь строго определенные характеристики для этой силы, угла и скорости. Ошибки в этих параметрах приводят к плохим характеристикам пайки, такие как непропай и другие. Практика показывает, что больше половины ошибок всего процесса сборки печатных плат приходятся именно на процесс нанесения припойной пасты. Преимуществом метода трафаретного нанесения припойной пасты является то, что паста может быть нанесена слоем до 300 мкм с очень высокой точностью. Также трафарет позволяет наносить пасту толщиной до 0,65 мм.
|
Довольно часто встречающимся методом нанесения припойной пасты, применяемым в штучном и мелкосерийном производстве, является диспенсорный метод, в котором используется диспенсер - шприц. На рисунке показано: 1 - крышка; 2 - давящий воздух; 3 - поршень; 4 - припойная паста; 5 - цилиндр; 6 - сопло; 7 - контактная площадка. Автоматическая дозировка осуществляется в соответствии с данными САПР при помощи сжатого воздуха. Паста поступает в виде "капель" непосредственно на контактные площадки печатной платы. Преимуществом диспенсорного метода является высокая гибкость его применения. Этим методом можно наносить пасту на контактные площадки толщиной от 0,75 мм. |
Традиционные компоненты, монтируемые в отверстия были наиболее узким местом в процессе установки их на печатную плату, поскольку практически полностью исключали возможность автоматизации процесса.
Огромная экономия достигается внедрением технологии поверхностного монтажа в процессе установки компонентов. Гораздо проще и быстрее автоматизировать процесс установки поверхностно монтируемых компонентов, чем монтаж традиционных компонентов. Автоматизация процесса установки поверхностно монтируемых компонентов стала возможной, благодаря их корпусной структуре - CHIP структуре и, следовательно, поэтому нет необходимости устанавливать компоненты в отверстия на печатной плате. Также надо сказать об автоматизации этого процесса, что большинство автоматических машин для установки компонентов, могу устанавливать все типы SMD компонентов.
Машины для автоматической установки работают по трем основным принципам: поочередная, поочередно-одновременная и одновременная установка компонентов. В аппаратах поочередной установки один компонент все время устанавливается одной или двумя установочными головками. Поочередная установка, также может проводиться при помощи револьверной головки. В поочередно-одновременной установке несколько компонентов может быть установлено одновременно. Установочные машины одновременного типа, устанавливают все или возможно-большее количество компонентов за один раз.
Поочередные и поочередно-одновременные машины, также называются последовательными и их основное преимущество в гибкости настройки. Если машина поочередной установки оснащена револьверной головкой, скорость установки компонентов на печатную плату значительно возрастает. Эти машины могут устанавливать компоненты нескольких типов. Место установки компонента может быть легко изменено, а точность установки достаточно высока.
Машины одновременной установки компонентов значительно производительней. Скорость установки компонентов может достигать 300000 компонентов в час, однако эти машины не так просты и гибки в настройке. Если для изменения места установки компонента в машинах поочередного и поочередно-одновременного типа достаточно изменить программы, то для машины одновременной установки требуются значительные ложные механические изменения. Поэтому, эти машины используются, в основном, для особо больших партий изделий.
Поверхностно монтируемые компоненты могут устанавливаться как в ручную, так и механически. Ручная установка SMD компонентов проще, чем установка компонентов монтируемых в отверстия. Небольшие размеры и маленькое расстояние между проводниками вводит, однако, некоторые требования к рабочему инструменту и рабочей атмосфере. Чаще всего, эти компоненты устанавливаются на печатную плату при помощи вакуумного пинцета, использование различных насадок пинцета позволяет устанавливать компоненты практически всех типов. Ручная установка вакуумным пинцетом нуждается в специальной технической поддержке, чтобы компоненты были установлены правильно и точно на контактные площадки печатной платы. Это и ограничивает производительность ручной установки до порядка 500 компонентов в час.
Для PTH и SMT разработок выбор компонентов влияет на стоимость изделия, и время его изготовления. В процесс разработки любой печатной платы должно входить помимо проектирования принципиальной электросхемы, также проблемы выбора компонентов, их совместимости друг с другом, стоимость (как компонентов, так и процесса их установки) и ремонтопригодность всей платы.
На данный момент широкое применение получили только две технологии монтажа компонентов на печатные платы, это PTH (Pin - Through - Hole) и SMT ( Surface - Mount - Technology). У каждой из этих технологий есть свои достоинства и недостатки.
Использование SMD компонентов вместо традиционных, монтируемых в отверстия, позволило заметно сэкономить в месте, значительно понизить стоимость затрат на установку, тестирование сами Чип-компоненты. Основными ЧИП-компонентами являются ЧИП и MELF резисторы, использование в которых полимерных резисторов недопустимо, по параметрам точности, шуму или стабильности. ЧИП-конденсаторы заменили крупногабаритные конденсаторы, монтируемые в отверстия.
Традиционная техника пайки волной припоя выполняется чаще всего погружением компонента в ванну с припоем. Для пайки на коммутационных платах компонентов в ТПМК обычно применяется метод расплавления дозированного припоя. Пайка расплавлением припоя в парогазовой фазе в настоящее время уступает место пайке с инфракрасным нагревом, лазерная же пайка пока не получила распространения. Ведущие поставщики сборочно-монтажного оборудования обычно включают установки для пайки в состав выпускаемых производственных линий.
Учет особенностей пайки на стадии проектирования изделий в сочетании с контролем режима процесса пайки снижает частоту появления дефектов на этапе пайки и очистки изделий до уровня (50-5000)
Появление на коммутационных платах поверхностно монтируемых компонентов существенно изменило технологию пайки. Пайка волной припоя была внедрена в 50-х гг. и до настоящего времени является единственным групповым методом пайки компонентов, устанавливаемых в отверстия коммутационных плат. Для пайки плат со смешанным монтажом (компоненты, монтируемые в отверстия с одной стороны платы и простые, монтируемые на поверхность (пассивные компоненты и транзисторы - с другой) был разработан метод пайки двойной волной припоя. Технология пайки поверхностно монтируемых компонентов расплавлением дозированного припоя в парогазовой фазе (ПГФ) появилась в 1973 г., когда фирма DuPont разработала и запатентовала специальные жидкие материалы. В течение нескольких лет Western Electric была единственной фирмой, пользовавшейся преимуществами этой новой разработки. В 1975 г. фирма ЗМ предложила новые материалы для пайки в ПГФ, а один из изготовителей оборудования для пайки (фирма НТС) стал ведущим поставщиком систем пайки в ПГФ. С 1983 г. основным конкурентом пайки в ПГФ стала пайка расплавлением дозированного припоя с помощью инфракрасного нагрева (ИК-пайка).
Эта краткая история иллюстрирует те изменения, которые претерпела технология пайки в США с появлением компонентов для поверхностного монтажа. В Японии пайка компонентов, устанавливаемых на поверхность недорогих плат с низкой плотностью монтажа, производится с применением нагретой плиты (или приспособления). Для чувствительных к тепловому воздействию и сложных микросборок с поверхностным монтажом тремя ведущими японскими компаниями была разработана и реализована лазерная пайка.
В настоящее время в Японии наиболее широко распространена ИК-пайка, в то время как пайка в ПГФ еще только внедряется.
Освоение техники пайки применительно к аппаратуре нового поколения сдерживается недостаточной изученностью физико-химических процессов, протекающих при пайке. Пользователи, внедряющие компоненты для ТПМК, обычно выбирают наиболее приемлемые методы и режимы пайки, а также соответствующее оборудование после предварительных экспериментальных исследований. Эксперименты являются также неотъемлемой частью процесса совершенствования конструкции изделия с учетом особенностей пайки.
Пайка волной припоя
Пайка волной припоя появилась 30 лет назад и в настоящее время достаточно хорошо освоена. Она применяется только для пайки компонентов в отверстиях плат (традиционная технология), хотя некоторые изготовители утверждают, что с ее помощью можно производить пайку поверхностно монтируемых компонентов с несложной конструкцией корпусов, устанавливаемых на одной из сторон коммутационной платы.
Процесс пайки прост. Платы, установленные на транспортере, подвергаются предварительному нагреву, исключающему тепловой удар на этапе пайки. Затем плата проходит над волной припоя. Сама волна, ее форма и динамические характеристики являются наиболее важными параметрами оборудования для пайки. С помощью сопла можно менять форму волны; в прежних конструкциях установок для пайки применялись симметричные волны. В настоящее время каждый производитель использует свою собственную форму волны (в виде греческой буквы "омега", Z-образную, Т-образную и др.). Направление и скорость движения потока припоя, достигающего платы, также могут варьироваться, но они должны быть одинаковы по всей ширине волны. Угол наклона транспортера для плат тоже регулируется. Некоторые установки для пайки оборудуются дешунтирующим воздушным ножом, который обеспечивает уменьшение количества перемычек припоя. Нож располагается сразу же за участком прохождения волны припоя и включается в работу, когда припой находится еще в расплавленном состоянии на коммутационной плате. Узкий поток нагретого воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем самым разрушая перемычки и способствуя удалению остатков припоя.
Когда впервые появились коммутационные платы, с обратной стороны которых компоненты устанавливались на поверхность, их пайка производилась волной припоя. При этом возникло множество проблем, связанных как конструкцией плат, так и с особенностями процесса пайки, а именно: непропаи и отсутствие галтелей припоя из-за эффекта затенения выводов компонента другими компонентами, преграждающими доступ волны припоя к соответствующим контактным площадкам, а также наличие полостей с захваченными газообразными продуктами разложения флюса, мешающих дозировке припоя.
Совершенствование конструкции платы оказалось недостаточным для достижения высокого уровня годных при традиционных способах изготовления изделий с простыми компонентами, монтируемыми на поверхность обратной стороны плат. Потребовалось изменить технологический процесс пайки волной, внедрив вторую волну припоя. Первая волна делается турбулентной и узкой, она исходит из сопла под большим давлением (рис. 1). Турбулентность и высокое давление потока припоя исключает формирование полостей с газообразными продуктами разложения флюса. Однако турбулентная волна все же образует перемычки припоя, которые разрушаются второй, более пологой ламинарной волной с малой скоростью истечения. Вторая волна обладает очищающей способностью и устраняет перемычки припоя, а также завершает формирование галтелей. Для обеспечения эффективности пайки все параметры каждой волны должны быть регулируемыми. Поэтому установки для пайки двойной волной должны иметь отдельные насосы, сопла, а также блоки управления для каждой волны. Установки для пайки двойной волной рекомендуется приобретать вместе с дешунтирующим ножом, служащим для разрушения перемычек из припоя.
Пайка двойной волной припоя применяется в настоящее время для одного типа коммутационных плат: с традиционными компонентами на лицевой стороне и монтируемыми на поверхность простыми компонентами (чипами и транзисторами) на обратной. Некоторые компоненты для ТПМК (даже пассивные) могут быть повреждены при погружении в припой во время пайки. Поэтому важно учитывать их термостойкость. Если пайка двойной волной применяется для монтажа плат с установленными на их поверхности компонентами сложной структуры, необходимы некоторые предосторожности:
Хорошо разнесенные, не загораживающие друг друга компоненты способствуют попаданию припоя на каждый требуемый участок платы, но при этом снижается плотность монтажа. При высокой плотности монтажа, которую позволяет реализовать ТПМК, с помощью данного метода практически невозможно пропаять поверхностно монтируемые компоненты с четырехсторонней разводкой выводов (например, кристаллоносители с выводами). Чтобы уменьшить эффект затенения, прямоугольные чипы следует размещать перпендикулярно направлению движения волны. Трудно паять двойной волной припоя транзистор в корпусе 50Т-89, поскольку он имеет довольно массивный центральный вывод, что затрудняет его равномерное смачивание припоем (и растекание припоя) по всей поверхности.
Процесс пайки компонентов, собранных на коммутационной плате, с помощью ИК-нагрева аналогичен пайке в ПГФ, за исключением того, что нагрев платы с компонентами производится не парами жидкости, а ИК-излучением.
Основным механизмом передачи тепла, используемым в установках пайки с ИК-нагревом, является излучение. Передача тепла излучением имеет большое преимущество перед теплопередачей за счет теплопроводности и конвекции в описанных ранее методах, так как это единственный из механизмов теплопередачи, обеспечивающий передачу тепловой энергии по всему объему монтируемого устройства. Остальные механизмы теплопередачи обеспечивают передачу тепловой энергии только поверхности монтируемого изделия. В отличие от пайки в ПГФ, в процессе пайки с ИК-излучением скорость нагрева регулируется изменением мощности каждого излучателя и скорости движения транспортера с коммутационными платами. Поэтому термические напряжения в компонентах и платах могут быть снижены посредством постепенного нагрева микросборок. Основным недостатком пайки с ИК-нагревом является то, что количество энергии излучения, поглощаемой компонентами и платами, зависит от поглощающей способности материалов, из которых они изготовлены. Поэтому нагрев осуществляется неравномерно в пределах монтируемого устройства. Пайка кристаллоносителей без выводов или с J-образными выводами может оказаться невозможной в установках с ИК-нагревом, если компонент непрозрачен для ИК-излучения.
В некоторых установках для пайки с ИК-нагревом вместо ламп ИК-излучения применяются панельные излучающие системы. В этом случае излучение имеет намного большую длину волны, чем излучение традиционных источников. Излучение такой излучающей системы не нагревает непосредственно микросборку, а поглощается технологической средой, которая в свою очередь передает тепло микросборке за счет конвекции. Этот способ пайки устраняет ряд недостатков, присущих традиционной пайке с ИК-нагревом, таких, как неравномерный прогрев отдельных частей микросборки и невозможность пайки компонентов в корпусах, непрозрачных для ИК-излучения. Панельные излучатели имеют ограниченный срок службы и обеспечивают намного меньшую скорость нагрева, чем традиционные источники ИК-излучения. Однако при их использовании может не потребоваться технологическая среда из инертного газа.
В зависимости от соотношения температур источника излучения и нагреваемого объекта процессы нагрева можно разделить на термодинамически- равновесные и неравновесные. При равновесном нагреве температура нагревателя и объекта близки друг к другу (например, нагрев в парах кипящей жидкости), при неравновесном - значительно отличаются. На практике желательно иметь равновесный режим нагрева, позволяющий устранить неравномерность нагрева и другие отрицательные факторы.
Первые установки ИК оплавления использовали для нагрева ламповые ИК излучатели с температурой 700-800° С. Поскольку температура пайки составляет
210-215° С, то режим нагрева значительно отличался от равновесного, при этом возникали перегретые участки, обусловленные, в частности, различной степенью черноты поверхностей. Улучшение характеристик установок было получено переходом на излучатели, работающие в средневолновом ИК диапазоне (3-10 мкм). Конструктивно такие излучатели представляют собой керамические панели больших размеров со значительным количеством воздушных камер, работающих при температуре 280-320° С. В таких устройствах до 60 % тепловой энергии доставляется к объекту за счет естественной конвекции, 40 % - при помощи средневолнового ИК излучения. Такие комбинированные установки производят нагрев объекта в режиме, близком к равновесному, и в настоящее время широко используются при монтаже ТМП ФУ.
Конструкция типичной установки ИК оплавления приведена на рис. 1. Установка состоит из корпуса 1, внутри которого расположено несколько зон нагрева, в каждой из которых поддерживается заданный тепловой режим. В первой и второй зонах производят постепенный предварительный нагрев изделия 2 с помощью плоских нагревателей 3. Пайку производят в третьей зоне быстрым нагревом объекта выше температуры плавления припоя с помощью кварцевых ИК ламп 4, затем объект охлаждают с помощью устройства 5.
Печатные платы транспортируются через установку на ленточном (обычно сетка из нержавеющей стали) конвейере 6. Режимы работы нагревателя и скорость конвейера регулируются с помощью микропроцессорной системы 7, температурный профиль вдоль установки отображается в графической и цифровой форме на экране дисплея 8. Характеристики температурного профиля, т. е. значения температур в каждой зоне , возможно изменять в широких пределах, также возможно иметь библиотеку типовых режимов оплавления для печатных плат различных типоразмеров.
Пайка расплавлением дозированного припоя применима только к микросборкам с поверхностным монтажом. Она значительно отличается от ранее описанных методов. Процесс начинается с нанесения способом трафаретной печати припойной пасты на контактные площадки коммутационной платы. Затем на поверхность платы устанавливаются компоненты. В ряде случаев припойную пасту просушивают после нанесения, с целью удаления из ее состава летучих ингредиентов или предотвращения смещения компонентов непосредственно перед пайкой. После этого плата разогревается до температуры расплавления. В результате образуется паяное соединение между контактной площадкой платы и выводом компонента. Такая техника пайки применима к коммутационным платам без монтируемых в отверстия компонентов, т. е. с набором только поверхностно монтируемых компонентов любых типов.
Метод пайки в парогазовой фазе является разновидностью пайки расплавлением дозированного припоя, в ходе которой пары специальной жидкости конденсируются на коммутационной плате, отдавая скрытую теплоту парообразования открытым участкам микросборки. При этом припойная паста расплавляется и образует галтель между выводом компонента и контактной площадкой платы. Когда температура платы достигает температуры жидкости, процесс конденсации прекращается, тем самым заканчивается и нагрев пасты. Повышение температуры платы, от ее начальной температуры (например, окружающей среды перед пайкой) до температуры расплавления припоя, осуществляется очень быстро и не поддается регулированию. Поэтому необходим предварительный подогрев платы с компонентами для уменьшения термических напряжении в компонентах и местах их контактов с платой. Температура расплавления припоя также не регулируется и равна температуре кипения используемой при пайке жидкости. Такой жидкостью является инертный фторуглерод, например РС-70 производства фирмы ЗМ.
Существуют два типа установок для пайки в парогазовой фазе: с применением одной либо двух рабочих жидкостей. В первых установках для пайки в ПГФ применялись две рабочих жидкости (рис. 1), при этом использовались обычно несколько установок пайки в составе производственной линии. С целью предотвращения утечки паров дорогого фторуглерода и припоя поверх основной технологической среды из инертного фторуглерода создавалась дополнительная технологическая среда из более дешевого фреона. Основной недостаток этих установок состоял в том, что на границе двух технологических сред происходило образование различных кислот. Поэтому для защиты коммутационных плат (защита коммутационных плат необходима в первую очередь от разрушающего действия кислот на материал коммутации (химическая, а затем электрохимическая коррозия). Кроме того, рабочая часть контейнера установки пайки в ПГФ должна изготовляться из коррозионностойкого материала, что отражается на стоимости такого оборудования) требовались системы нейтрализации кислот.
Установки для пайки с двумя рабочими жидкостями оказались непригодны для линий сборки электронной аппаратуры. Поэтому в 1981 г. фирмой НТС стали выпускаться установки для пайки в ПГФ, встраиваемые в технологические сборочно-монтажные линии. Такие установки имеют относительно небольшие входное и выходное отверстия, позволяющие реализовать систему с одной технологической средой (рис. 2). Приведенная на рис. 2 конструкция обеспечивает возможность включения установки в состав технологической линии.
При использовании установки для пайки в ПГФ таких компонентов, как чип-конденсаторы и чип-резисторы, может возникнуть проблема, известная как "эффект опрокидывания компонента". Причина опрокидывания компонентов до конца не изучена, и универсальных средств для избежания этого в настоящее время не существует. Необходимо варьировать параметры процесса пайки до тех пор, пока не прекратится опрокидывание компонентов.
Лазерная пайка (пайка лучём лазера) не относится к групповым методом пайки, поскольку монтаж ведется по каждому отдельному выводу либо по ряду выводов. Однако бесконтактность приложения тепловой энергии позволяет повысить скорость монтажа до 10 соединений в секунду и приблизиться по производительности к пайке в паровой фазе и ИК излучением
По сравнению с другими методами лазерная пайка обладает рядом следующих преимуществ. Во время пайки печатная плата и корпуса элементов практически не нагреваются, что позволяет монтировать элементы, чувствительные к тепловым воздействиям. В связи с низкой температурой пайки и ограниченной областью приложения тепла резко снижаются температурные механические напряжения между выводом и корпусом. Выбор материала основания не является критическим. Кратковременные действия тепла - 20...30 мс, резко снижаются толщина слоя интерметаллидов, припой имеет мелкозернистую структуру, что положительно сказывается на надежности ПС. Установки лазерной пайки могут быть полностью автоматизированы, при этом возможно использовать данные САПР для печатных плат.
Возможна пайка плат с высокой плотностью компоновки элементов, с размерами контактных площадок до 25 мкм, без образования перемычек на соседние соединения или их повреждения.
При использовании хорошо просушенной паяльной пасты выполненные с помощью лазерной пайки ПС не образуют шариков припоя или перемычек, в результате чего отпадает необходимость применять паяльные маски.
При использовании лазерной пайки нет необходимости в предварительном подогреве многослойной печатной платы, что обычно необходимо делать при пайке в паровой фазе для предотвращения расслоения платы. Не требуется также создавать какую-либо специальную газовую среду. Процесс пайки ведется в нормальной атмосфере без применения инертных газов.
7. Материалы для производства печатных плат
|
Заготовки для жестких печатных плат представляют собой несколько спрессованных слоев стекловолокна (обычно 8 слоев), покрытых медной фольгой. Пространство между слоями заполнено наполнителем. Самый простой способ расположения стеклянных волокон - когда они перпендикулярны друг другу. При различной ориентации волокон в слоях прочностные характеристики материала становятся одинаковыми по всем направлениям. Толщина материала оценивается без учета медной фольги. Толщина фольги одинакова с обеих сторон. Основа: бумага, стекловолокно, керамика, арамид. Наполнитель:фенольная смола, эпоксидная смола, полиэстер, полиимидная смола, бисмалеинимид-триазин, эфир цианата, фторопласт. Существует множество материалов для печатных плат. Они выполняю роль диэлектрика и различаются своими электрическими , механическими и температурными особенностями. Наиболее важные характеристики, которые учитываются при выборе диэлектрика, являются диэлектрическая постоянная (особенно для высокоскоростных пп) и температура стеклования Tg. |
|
обозначение |
состав |
температура стеклования |
диэлектрическая постоянная |
относительная стоимость |
примечание |
|
FR2 |
бумага и фенольная смола |
105 |
4,7 |
0,73 |
|
|
FR3 |
бумага и эпоксидная смола |
110 |
4,9 |
0,85 |
|
|
FR4 |
фольгированный эпоксидный стеклотекстолит |
135 - 170 |
4,7 |
1 |
Это наиболее распространенный материал для печатных плат. FR4 толщиной 1.6мм состоит из 8 слоев стеклоткани № 7628. Логотип производителя / обозначение класса горючести красного цвета расположен в середине (4 слой). Температура использования этого материала — 120 - 130°C. |
|
FR5 |
то же с уменьшенным диаметром стекловолокна |
160 |
4,6 |
1,4 |
Это стеклотекстолит подобный FR4, но температура использования этого материала 140 — 170°C. |
|
BT |
бисмалеинимид-триазиновая смола со стеклом |
180-220 |
3,9-4,9 |
5,3 |
|
|
CE |
цианат-эфир со стеклом |
230 |
3,6 |
4,5 |
|
|
CEM1 |
бумага с эпоксидной смолой, на которую напрессованы листы стеклоткани |
130 |
4,7 |
0,95 |
Из за бумажной основы в материале CEM1 невозможна металлизация отверстий, поэтому он применяется для односторонних плат. |
|
CEM3 |
стеклотекстолит, облицованный с двух сторон FR4 |
130 |
5,2 |
0,95 |
CEM3 наиболее похож на FR4. Материал легко сверлится и штампуется. Это полная замена FR4 и у этого материала очень большой рынок в Японии. |
|
PD |
полиимидная смола |
260 |
4,2-4,6 |
6,5 |
|
|
PTFE |
фторопласт |
240-280 |
2,2-10,2 |
32-78 |
|
|
CHn |
смесь гидрокарбоната и керамики |
300 |
4,5-9,8 |
90 |
|
При проектировании печатных плат необходимо учитывать диэлектрические свойства материала (диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь). От правильного выбора материала зависит исправная работа платы. Диэлектрическая постоянная (проницаемость) - отношение емкости конденсатора, где в качестве диэлектрика используется испытываемый материал, к емкости такого же воздушного конденсатора. Она существенно зависит от типа вещества и от внешних условий (температуры, давления, влажности и частоты). а) конденсатор, состоящий из параллельных проводящих пластин б) тот же конденсатор с изолирующим слоем между пластинами Эту характеристику необходимо учитывать (особенно для высокочастотных пп) по той причине, что высокое быстродействие современных пп предъявляет особые требования к таким параметрам, как время задержки сигналов и емкость. Скорость передачи сигналов в проводниках зависит главным образом от диэлектрической проницаемости. Ее значения для современных диэлектриков для печатных плат лежат в пределах 2,2 - 10,2. Задержка сигнала в линии может превышать 6 нс/м. Так же задержка увеличивается с увеличением частоты подаваемого напряжения. Если на проводник подать идеальное, прямоугольное, напряжение (1) (см. рис.), то на выходе сигнал "размывается" (2), появляется сдвиг фаз. Чем больше частота и тангенс угла потерь, тем сильнее искажается сигнал. Тангенс угла диэлектрических потерь в изоляционных материалах определяется отношением общих потерь мощности в материале к произведению напряжения и тока в конденсаторе, в котором исследуемый материал работает в качестве диэлектрика. Диэлектрические потери обусловлены нагревом диэлектрика. Их составляющими являются потери на электропроводность, поляризацию диэлектрика, резонансные потери (при частотах, совпадающих с собственными частотами колебаний электронов и ионов), потери, обусловленные неоднородностью (слоистостью, проводящими и газовыми включениями). Чем меньше тангенс угла потерь, тем высококачественее радиоэлемент. Обычно через тангенс угла потерь характеризуют добротность конденсаторов. Использование диэлектриков с улучшенными диэлектрическими параметрами дает незначительный выигрыш в задержке. Поэтому в общем случае задержка зависит от длины печатных проводников. В высокочастотных печатных платах из-за разной длины проводников в конечные точки сигнал приходит в разное время и в разной фазе. Чтобы этого избежать, форму проводника корректируются таким образом, чтобы их длина была одинаковой. Часто на печатной плате выполняются конденсаторы. Это накладывает ограничение на допустимые колебания диэлектрической постоянной, т.к. в партии конденсаторов их величина их емкостей должна колебаться в пределах заданной величины. Для FR4 на частоте 1 МГц значение диэлектрической проницаемости не должно превышать 5,4, а типовое значение составляет 4,5. Тангенс угла диэлектрических потерь на этой частоте должен быть не более 0,035, а его типовое значение 0,017. |
|
Так же при проектировании печатных плат мы вынуждены считаться с полным сопротивлением, возникающим между проводниками и "землей". Ниже приведены значения сопротивлений для двухсторонних печатных плат с разными значениями ширины проводника и толщины диэлектрика. |
Полные сопротивления, Ом (толщина меди 35 мкм, диэлектрическая проницаемость 4,5)
|
толщина стеклотекстолита, мкм |
|||
|
ширина проводника, мкм |
100 |
250 |
460 |
|
300 |
33,2 |
57,7 |
77,2 |
|
200 |
41,7 |
68,1 |
88,2 |
|
150 |
47,9 |
75,3 |
95,6 |
|
120 |
52,8 |
80,6 |
101,0 |
|
Подложка является основой для крепления элементов печатной платы, в свою очередь сама плата закрепляется в корпусе прибора. Поэтому материалы для ПП должны обладать определенной несщей способностью и прочностью, а так же обеспечивать качественное крепление в корпус прибора. |
|
Прочность на изгиб - это разрушающее усилие для бруска, закрепленного на концах и нагруженного в центре. Ниже приведены значения прочности на изгиб (кг/см2) для некоторых видов материалов. |
|
Материал |
|||
|
FR3 |
FR4 |
FR5 |
|
|
прочность вдоль волокон |
|||
|
при толщине 1,5 мм |
1400 |
3850 |
3850 |
|
при толщине 3 мм |
1400 |
3500 |
3500 |
|
прочность поперек волокон |
|||
|
при толщине 1,5 мм |
1100 |
3150 |
3150 |
|
при толщине 3 мм |
1100 |
2800 |
2800 |
|
Деформация под нагрузкой - процентное изменение толщины при воздействии нагрузки. Этот параметр определяет способность жесткого пластика в сборке с другими элементами, прикрепленными болтами, заклепками или другими крепежными приспособлениями, сохранять постоянной силу сжатия, не обнаруживая текучести или ослабления жесткости сборки. |
|
Материал |
|||
|
FR3 |
FR4 |
FR5 |
|
|
изменение толщины, % |
1,50 |
0,25 |
0,1 |
|
Модуль эластичности при изгибе может быть определен для сжимающих, изгибающих и разрывающих нагрузок. Модуль упругости - это отношение (в пределах упругости материала) действующего усилия к соответствующей величине деформации. Предел упругости - самое большое растягивающее напряжение, которое выдерживает материал без остаточной деформации. Напряжение - усилие на единицу площади первоначального поперечного сечения, которое выдерживает испытываемый образец в данный момент. Растяжение - отношение удлинения к первоначальной длине, т.е. безразмерная величина, определяющая изменение длины на единицу первоначальной длины. |
|
Материал |
|||
|
Модуль эластичности, кг/см2 |
FR3 |
FR4 |
FR5 |
|
вдоль волокон |
91000 |
188000 |
196000 |
|
поперек волокон |
70000 |
154000 |
161000 |
|
Наиболее часто употребляемые материалы для печатных плат созданы на основе стекловолокна с полимерным наполнителем. Это обусловлено прежде всего размерной устойчивостью стеклянного волокна в широком диапазоне температур, а так же большой механической прочностью и нагревостойкостью. Область применения таких материалов ограничена температурой стеклования Tg. При низких температурах движение молекул в полимерах происходит медленно или почти отсутствует, так что аморфный полимер хрупок и тверд, как стекло, жесткий и труднорастворимый. Нагревание ускоряет движение молекул, поэтому по мере повышения температуры материал из твердого и хрупкого превращается в достаточно мягкий и пластичный. Температура такого перехода называется температурой стеклования. Она тем выше, чем выше степень полимеризации полимера. Температура стеклования для полимеров в силу неоднородности их состава не имеет какого-то конкретного значения. Обычно под температурой стеклования подразумевают интервал температур (например, 135 - 170 градусов для FR4). Температура стеклования - это не температура плавления, при которой материал переходит в жидкое состояние. Так как при достижении Tg полимер становится пластичным, то он уже не может обеспечить размерную точность печатной платы и ее элементов. В производстве печатных плат широко используется стеклотекстолит (ГОСТ 26246.5-89). Это упругий, износостойкий, высокоомный слоистый пластик на основе стеклоткани и полимерного связующего. Стеклоткань формируют из расплавленной стекломассы вытягиванием через фильтры (непрерывное волокно длиной более 20 км и диаметром 3 - 100 мкм) или разделением струи расплавленного стекла паром, воздухом и др. (штапельное волокно длиной 1 - 50 см и диаметром 0,1 - 20 мкм). Обладает высокой теплостойкостью, химической стойкостью, высокими диэлектрическими свойствами, механической прочностью, низкой теплопроводностью и малым коэффициентом термического расширения. Недостатки: хрупкость, низкая износостойкость, плохая адгезия. |
Список литературы.
PAGE 3