Печатные платы

Печатная плата

(англ. printed circuit board, PCB, или printed wiring board, PWB) — пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.

 

Устройство

В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги, целиком расположенной на твердой изолирующей основе. Печатная плата содержит монтажные отверстия и контактные площадки для монтажа выводных или планарных компонентов. Кроме того, в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения участков фольги, расположенных на разных слоях платы. С внешних сторон на плату обычно нанесены защитное покрытие («паяльная маска») и маркировка (вспомогательный рисунок и текст согласно конструкторской документации).

Виды печатных плат

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на:

• односторонние (ОПП): имеется только один слой фольги, наклеенной на одну сторону листа диэлектрика.
• двухсторонние (ДПП): два слоя фольги.
• многослойные (МПП): фольга не только на двух сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика. Многослойные печатные платы получаются склеиванием нескольких односторонних или двухсторонних плат

По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа, увеличивается количество слоёв на платах

По свойствам материала основы:

• Жёсткие
• Теплопроводные
• Гибкие

Печатные платы могут иметь свои особенности, в связи с их назначением и требованиями к особым условиям эксплуатации (например, расширенный диапазон температур) или особенности применения (например, платы для приборов, работающих на высоких частотах).

 

Материалы

Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как стеклотекстолит, гетинакс.

Также основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие печатные платы применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. При этом металлическое основание платы крепится к радиатору.

В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д), и керамика.

Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.

Конструирование

Конструирование плат происходит в специализированных программах автоматизированного проектирования. Наиболее известны P-CAD, OrCAD, TopoR, Altium Designer, Specctra, Proteus, gEDA, KiCad и др. Сам процесс конструирования часто именуют сленговым словом разводка, подразумевая процесс прокладки проводников.

Нормативы
В России существуют нормативы на конструкторскую документацию печатных плат в рамках Единой системы конструкторской документации:

• ГОСТ 2.123-93 Единая система конструкторской документации. Комплектность конструкторской документации на печатные платы при автоматизированном проектировании.
• ГОСТ 2.417-91 Единая система конструкторской документации. Платы печатные. Правила выполнения чертежей.

Другие стандарты на печатные платы:

• ГОСТ Р 53386-2009 Платы печатные. Термины и определения.
• ГОСТ Р 53429-2009 Платы печатные. Основные параметры конструкции. Этот ГОСТ задает классы точности печатных плат и соответствующие геометрические параметры. Также нормируются основные электрические параметры проводников и диэлектриков. Все еще часто упоминается предшественник этого стандарта — ГОСТ 23751-86.
• ГОСТ 23752-79 Платы печатные. Общие технические условия. Стандарт регламентирует такие параметры как коробление печатных плат, условия и параметры нормоконтроля, электрические параметры материалов.

Типовой процесс

Рассмотрим типичный процесс разработки платы из готовой принципиальной электрической схемы:

• Подготовка к конструированию:
• Импорт принципиальной электрической схемы в базу данных САПР конструирования печатной платы. Как правило, подготовка схемы выполняется в отдельной схемотехнической САПР. Некоторые пакеты САПР содержат компоненты как схемотехники, так и конструирования. Другие САПР ПП не имеют схемотехнической САПР в своем составе, только импортируя схемотехнику популярных форматов.
• Ввод в САПР компонентов (чертежей каждого компонента, расположения и назначения выводов и др). Обычно при этом используются готовые библиотеки компонентов, поставляемые разработчиками САПР.
• Уточнение у будущего изготовителя печатной платы его технологических возможностей (имеющиеся материалы, количество слоев, класс точности, допустимые диаметры отверстий, возможность покрытий и т. п.). Выбор материала платы, количества слоев металлизации, толщины материала и толщины фольги (наиболее часто используется стеклотекстолит толщиной 1,5 мм с фольгой толщиной 18 или 35 мкм).

Конструирование платы:

• Определение конструктива печатной платы (габаритов, точек крепления, допустимых высот компонентов). Вычерчивание габаритов (краёв) платы, вырезов и отверстий, областей запрета размещения компонентов. Расположение конструктивно-привязанных деталей: разъёмов, индикаторов, кнопок и др. Определение правил расположения критичных проводников: выделение областей прокладки сильноточных проводников и шин питания; компоновка высокочастотных и дифференциальных линий, определение методов прокладки и экранировки чувствительных к помехам цепей и цепей-источников помех.
• Выполнение автоматического или ручного размещения компонентов. Обычно стремятся разместить компоненты на одной стороне платы, поскольку двусторонний монтаж деталей заметно дороже в производстве.
• Запуск трассировщика. При неудовлетворительном результате — перерасположение компонентов. Эти два шага зачастую выполняются десятки или сотни раз подряд. В некоторых случаях трассировка печатных плат (отрисовка дорожек) производится вручную полностью или частично.
• Проверка платы на ошибки (DRC, Design Rules Check): проверка на зазоры, замыкания, наложения компонентов и др.
• Создание выходной документации:
• Экспорт файла в формат, принимаемый изготовителем печатных плат, например Gerber.
• Подготовка сопроводительной записки, в которой, как правило, указывают тип фольгированного материала, диаметры сверления всех типов отверстий, вид переходных отверстий (закрытые лаком или открытые, луженые), области гальванических покрытий и их тип, цвет паяльной маски, необходимость маркировки, способ разделения плат (фрезеровка или скрайбирование) и т. п.

Типовые ошибки конструирования

Производители печатных плат часто сталкиваются с неочевидными ошибками конструирования начинающими инженерами. Наиболее типичные ошибки:

• Неверный выбор диаметра сверления отверстий для монтажа компонентов. В процессе изготовления платы часть просвета отверстия уйдет на металлизацию, что может приводить к невозможности нормального монтажа компонента.
• Ошибки в согласовании требуемого размера контура печатной платы с методом его обработки. Разные методы обработки контура требуют соответствующего припуска.
• Ошибки при выборе отдельных размеров проводников, зазоров, отверстий, окантовки отверстий и т.п. Эти размеры определяют класс точности, а значит цену и сроки изготовления плат. Даже один элемент с ошибочно малым размером может переквалифицировать класс точности всей платы.
• Неравномерное распределение дорожек, полигонов и точек пайки на крупногабаритных печатных платах может приводить к короблению плат после пайки в печах.
• Отсутствие термозазора вокруг точек монтажа компонентов при подключении к крупным заливкам фольгой (полигонам или широким дорожкам) приводит к затруднениям и браку при пайке: медь является эффективным теплоотводом и затрудняет прогрев места пайки.
• Для плат, подлежащих лакированию, следует учитывать требования к расположению разъемов и других не подлежащих лакированию компонентов. В противном случае растет процент брака при попадании лака на контакты разъемов.

Изготовление

Изготовление ПП возможно аддитивным или субтрактивным методом. В аддитивном методе проводящий рисунок формируется на нефольгированном материале путём химического меднения через предварительно нанесённую на материал защитную маску. В субтрактивном методе проводящий рисунок формируется на фольгированном материале путём удаления ненужных участков фольги. В современной промышленности применяется исключительно субтрактивный метод.
Весь процесс изготовления печатных плат можно разделить на четыре этапа:

• Изготовление заготовки (фольгированного материала).
• Обработка заготовки с целью получения нужных электрического и механического вида.
• Монтаж компонентов.
• Тестирование.

Часто под изготовлением печатных плат понимают только обработку заготовки (фольгированного материала). Типовой процесс обработки фольгированного материала состоит из нескольких этапов: сверловка переходных отверстий, получение рисунка проводников путем удаления излишков медной фольги, металлизация отверстий, нанесение защитных покрытий и лужение, нанесение маркировки. Для многослойных печатных плат добавляется прессование конечной платы из нескольких заготовок.
 

Изготовление фольгированного материала

Фольгированный материал — плоский лист диэлектрика с наклеенной на него медной фольгой. Как правило, в качестве диэлектрика используют стеклотекстолит. В старой или очень дешевой аппаратуре используют текстолит на тканевой или бумажной основе, иногда именуемый гетинаксом. В СВЧ устройствах используют фторсодержащие полимеры (фторопласты). Толщина диэлектрика определяется требуемой механической и электрической прочностью, наибольшее распространение получила толщина 1,5 мм.

На диэлектрик с одной или двух сторон наклеивают сплошной лист медной фольги. Толщина фольги определяется токами, под которые проектируется плата. Наибольшее распространение получила фольга толщиной 18 и 35 мкм, гораздо реже встречаются 70, 105 и 140 мкм. Такие значения исходят из стандартных толщин меди в импортных материалах, в которых толщина слоя медной фольги исчисляется в унциях (oz) на квадратный фут. 18 мкм соответствует ½ oz и 35 мкм — 1 oz

Алюминиевые печатные платы

Отдельную группу материалов составляют алюминиевые металлические печатные платы. Их можно разделить на две группы.

• Первая группа — решения в виде листа алюминия с качественно оксидированной поверхностью, на которую наклеена медная фольга. Такие платы нельзя сверлить, поэтому обычно их делают только односторонними. Обработка таких фольгированных материалов выполняется по традиционным технологиям химического нанесения рисунка. Иногда вместо алюминия применяют медь или сталь, ламинированные тонким изолятором и фольгой. Медь имеет бо?льшую теплопроводность, нержавеющая сталь платы обеспечивает коррозионную стойкость.

 

• Вторая группа подразумевает создание токопроводящего рисунка непосредственно в алюминии основы. Для этой цели алюминиевый лист оксидируют не только по поверхности, но и на всю глубину основы, согласно рисунку токопроводящих областей, заданному фотошаблоном.

Получение рисунка проводников

При изготовлении плат используются химические, электролитические или механические методы воспроизведения требуемого токопроводящего рисунка, а также их комбинации.

Химический способ

Химический способ изготовления печатных плат из готового фольгированного материала состоит из двух основных этапов: нанесение защитного слоя на фольгу и травление незащищенных участков химическими методами.

В промышленности защитный слой наносится фотолитографическим способом с использованием ультрафиолетово-чувствительного фоторезиста, фотошаблона и источника ультрафиолетового света. Фоторезистом сплошь покрывают медь фольги, после чего рисунок дорожек с фотошаблона переносят на фоторезист засветкой. Засвеченный фоторезист смывается, обнажая медную фольгу для травления, незасвеченный фоторезист фиксируется на фольге, защищая её от травления.

Фоторезист бывает жидким или пленочным. Жидкий фоторезист наносят в промышленных условиях, так как он чувствителен к несоблюдению технологии нанесения. Пленочный фоторезист популярен при ручном изготовлении плат, однако он дороже. Фотошаблон представляет собой УФ-прозрачный материал с распечатанным на нём рисунком дорожек. После экспозиции фоторезист проявляется и закрепляется как и в обычном фотохимическом процессе.

В любительских условиях защитный слой в виде лака или краски может быть нанесен шелкотрафаретным способом или вручную. Радиолюбители для формирования на фольге травильной маски применяют перенос тонера с изображения, отпечатанного на лазерном принтере («лазерно-утюжная технология»).

Под травлением фольги понимают химический процесс перевода меди в растворимые соединения. Незащищенная фольга травится, чаще всего, в растворе хлорного железа или в растворе других химикатов, например медного купороса, персульфата аммония, аммиачного медно-хлоридного, аммиачного медно-сульфатного, на основе хлоритов, на основе хромового ангидрида.

При использовании хлорного железа процесс травления платы идет следующим образом: FeCl3+Cu → FeCl2+CuCl. Типовая концентрация раствора 400 г/л, температура до 35°С. При использовании персульфата аммония процесс травления платы идет следующим образом: (NH4)2S2O8+Cu → (NH4)2SO4+CuSO4[11].

После травления защитный рисунок с фольги смывается.

Механический способ

Механический способ изготовления предполагает использование фрезерно-гравировальных станков или других инструментов для механического удаления слоя фольги с заданных участков.

Лазерная гравировка

До недавнего времени лазерная гравировка печатных плат была слабо распространена в связи с хорошими отражающими свойствами меди на длине волны наиболее распространенных мощных газовых СО лазеров. В связи с прогрессом в области лазеростроения сейчас начали появляться промышленные установки прототипирования на базе лазеров.

Металлизация отверстий

Переходные и монтажные отверстия могут сверлиться, пробиваться механически (в мягких материалах типа гетинакса) или лазером (очень тонкие переходные отверстия). Металлизация отверстий обычно выполняется химическим или механическим способом.

Механическая металлизация отверстий выполняется специальными заклепками, пропаянными проволочками или заливкой отверстия токопроводящим клеем. Механический способ дорог в производстве и потому применяется крайне редко, обычно в высоконадежных штучных решениях, специальной сильноточной технике или радиолюбительских условиях.

При химической металлизации в фольгированной заготовке сначала сверлятся отверстия, затем они металлизируются и только потом производится травление фольги для получения рисунка печати. Химическая металлизация отверстий — многостадийный сложный процесс, чувствительный к качеству реактивов и соблюдению технологии. Поэтому в радиолюбительских условиях практически не применяется. Упрощенно состоит из таких этапов:

• Нанесение на диэлектрик стенок отверстия проводящей подложки. Эта подложка очень тонкая, непрочная. Наносится химическим осаждением металла из нестабильных соединений, таких как хлорид палладия.
• На полученную основу производится электролитическое или химическое осаждение меди.
• В конце производственного цикла для защиты довольно рыхлой осажденной меди применяется либо горячее лужение, либо отверстие защищается лаком (паяльной маской). Нелуженые переходные отверстия низкого качества являются одной из самых частых причин отказа электронной техники.

Прессование многослойных плат

Многослойные платы (с числом слоев металлизации более 2) собираются из стопки тонких двух- или однослойных печатных плат, изготовленных традиционным способом (кроме наружных слоев пакета — их пока оставляют с нетронутой фольгой). Их собирают «бутербродом» со специальными прокладками (препреги). Далее выполняется прессование в печи, сверление и металлизация переходных отверстий. В последнюю очередь делают травление фольги внешних слоев.

Переходные отверстия в таких платах могут также делаться до прессования. Если отверстия делаются до прессования, то можно получать платы с так называемыми глухими отверстиями (когда отверстие есть только в одном слое бутерброда), что позволяет уплотнить компоновку.

Нанесение покрытий

Возможны такие покрытия как:

• Защитно-декоративные лаковые покрытия («паяльная маска»). Обычно имеет характерный зелёный цвет. При выборе паяльной маски следует учитывать, что некоторые из них непрозрачны и под ними не видно проводников.
• Декоративно-информационные покрытия (маркировка). Обычно наносится с помощью шелкографии, реже — струйным методом или лазером.
• Лужение проводников. Защищает поверхность меди, увеличивает толщину проводника, облегчает монтаж компонентов. Обычно выполняется погружением в ванну с припоем или волной припоя. Основной недостаток — значительная толщина покрытия, затрудняющая монтаж компонентов высокой плотности. Для уменьшения толщины излишек припоя при лужении сдувают потоком воздуха.
• Химические, иммерсионные или гальванические покрытия фольги проводников инертными металлами (золотом, серебром, палладием, оловом и т.п.). Некоторые виды таких покрытий наносятся до этапа травления меди.
• Покрытие токопроводящими лаками для улучшения контактных свойств разъемов и мембранных клавиатур или создания дополнительного слоя проводников.

После монтажа печатных плат возможно нанесение дополнительных защитных покрытий, защищающих как саму плату, так и пайку и компоненты.

Механическая обработка

На одном листе заготовки зачастую помещается множество отдельных плат. Весь процесс обработки фольгированной заготовки они проходят как одна плата, и только в конце их готовят к разделению. Если платы прямоугольные, то фрезеруют несквозные канавки, облегчающие последующее разламывание плат (скрайбирование, от англ. scribe царапать). Если платы сложной формы, то делают сквозную фрезеровку, оставляя узкие мостики, чтобы платы не рассыпались. Для плат без металлизации вместо фрезеровки иногда сверлят ряд отверстий с маленьким шагом. Сверление крепежных (неметаллизированных) отверстий также происходит на этом этапе.

См. также: ГОСТ 23665-79 Платы печатные. Обработка контура. Требования к типовым технологическим процессам.

По типовому техпроцессу отделение плат от заготовки происходит уже после монтажа компонентов.

Монтаж компонентов

Пайка является основным методом монтажа компонентов на печатные платы. Пайка может выполняться как вручную паяльником, так и с помощью специально разработанных специфических технологий.

Пайка волной

Основной метод автоматизированной групповой пайки для выводных компонентов. С помощью механических активаторов создается длинная волна расплавленного припоя. Плату проводят над волной так, чтобы волна едва коснулась нижней поверхности платы. При этом выводы заранее установленных выводных компонентов смачиваются волной и припаиваются к плате. Флюс наносится на плату губчатым штемпелем.
 

Пайка в печах

Основной метод групповой пайки планарных компонентов. На контактные площадки печатной платы через трафарет наносится специальная паяльная паста (порошок припоя в пастообразном флюсе). Затем устанавливаются планарные компоненты. Затем плату с установленными компонентами подают в специальную печь, где флюс паяльной пасты активизируется, а порошок припоя плавится, припаивая компонент.

Если такой монтаж компонентов выполняется с двух сторон, то плата подвергается этой процедуре дважды — отдельно для каждой стороны монтажа. Тяжелые планарные компоненты устанавливаются на капельки клея, которые не позволяют им упасть с перевернутой платы во время второй пайки. Легкие компоненты удерживаются на плате за счет поверхностного натяжения припоя.

После пайки плату обрабатывают растворителями с целью удаления остатков флюса и других загрязнений, либо, при использовании безотмывочной паяльной пасты, плата готова сразу для некоторых условий эксплуатации.

Установка компонентов

Установка компонентов может выполняться как вручную, так и на специальных автоматах-установщиках. Автоматическая установка уменьшает вероятность ошибки и значительно ускоряет процесс (лучшие автоматы устанавливают несколько компонентов в секунду).

Финишные покрытия

После пайки печатную плату с компонентами покрывают защитными составами: гидрофобизаторами, лаками, средствами защиты открытых контактов. В отдельных случаях для работы платы в условиях сильных вибраций, плата может быть целиком залита в резиноподобный компаунд.