Печатные платы. Основные понятия

Печатная плата, ее виды и технология создания

Печатной платой (далее ПП) можно назвать пластину, которая представляет собой плохо проводящее электрический ток (диэлектрическое) основание (как правило, используется стеклотекстолит) и нанесенный на него токопроводящий схематический рисунок для дальнейшего соединения либо крепления на неё как активных, так и пассивных элементов электротехники. Как правило, для закрепления на ПП какого-либо элемента используются заранее подготовленные площадки, которые предварительно обработаны специальным сплавом для более быстрого крепления и защиты от коррозии.

Простейшей ПП является плата, содержащая медные проводники и имеющая схематический рисунок на любой или на одной из своих поверхностей. Если используется только одна поверхность, то это – однослойные либо односторонние платы (ОПП).

Наиболее часто используемыми в производстве ПП являются пластины, имеющие рисунок на обеих сторонах своей поверхности, то есть выполненные в два слоя. Такие платы называются двухсторонними (ДПП).

Для соединения между собой двух слоев может использоваться как пайка пассивных элементов электротехники с двух сторон, так и специально подготовленные металлизированные туннельные площадки. Такие площадки применяются и для более сложных вариантов ПП, когда 2-х слоев не достаточно, и необходимо соединить между собой три и более уровней схематичных рисунков. Для этого используются многослойные ПП (далее МПП), количество слоев у которых может достигать от четырех до двадцати четырех и более.

Чтобы установить электронные компоненты на ПП, нужно провести специальную технологическую процедуру – пайку, в целях образования соединения, повторная сборка и разработка которого будет невозможна без повреждения металлических деталей. Расплавленный металл, введенный между контактами деталей, обеспечивает припайку, температура плавления которой ниже, температуры соединенных металлических компонентов. Другими словами, контакты деталей, подвергающиеся спайке, припой и флюс вступают во взаимодействие, в ходе которого нагреваются. Показатели температуры нагрева превышают показатели температуры плавления припоя, однако не превышают температуру плавления деталей, подвергшихся спайке. Такой термический процесс способствует переходу припоя в жидкое состояние, что позволяет смочить поверхность деталей, скрепить их и образовать соединение. Провести пайку металлических компонентов можно как вручную, так и механизированным оборудованием.

В зависимости от способа размещения пассивных элементов электротехники на ПП может быть использовано несколько видов технологии монтажа. Первый – это пайка крепежных элементов деталей в сквозные отверстия ПП. Второй – это соединение со специально подготовленными металлизированными туннельными площадками.

Сегодня наиболее популярными видами монтажа можно назвать: монтаж на поверхности (ТМП) или SMT-технология либо SMD-технология. Все эти разновидности сводятся к одному, закреплению детали на поверхности. Различием между «классической» пайкой и монтажом пассивных элементов электротехники на поверхность ПП, является способ соединения деталей с платой. Во втором случае, деталь крепится на специальные площадки, которые являются проводящей частью схемы для крепления деталей.

Данный вид крепления предусматривает два способа фиксации деталей. Один из способов – это волновой, другой – при помощи специально изготовленной пасты. Рассмотрим волновой метод. Он позволяет осуществить пайку деталей на ПП, как на поверхности, так и внутри туннельного способа пайки. Его также называют одним из наиболее производительных способов, если необходима пайка не только на поверхности ПП. В свою очередь, пайка при помощи пасты, в основном, используется на поверхности ПП. В состав пасты обычно входят олово, флюс и присадки. После установки деталей на ПП и нанесения пасты, всё отправляется в специальную печь, где при помощи высокой температуры паста плавится, а затем отвердевает тем самым, осуществляется жесткая сцепка пассивных элементов электротехники с ПП.

В целях недопущения либо предупреждения непредвиденного пробоя изоляции, проводники и элементы электротехники, в ходе присоединения к ПП покрываются специальным веществом «маской». Такая маска представляет собой защитный слой полимерного вещества, обеспечивающего защиту токопроводящих частей ПП от слишком высоких температур, а также от случайного попадания припоя и других механических воздействий при пайке. Полимерное вещество паяльной маски покрывает все проводники, оставляя открытыми только те участки на плате, которые непосредственно участвуют в процессе пайки. Это могут быть заранее подготовленные контактные площадки и плоские разъемы. Защитная маска имеет свою цветовую гамму, наиболее распространенным является зеленый цвет.

Важно указать, что «маска» не обеспечивает защиту ПП в ходе ее эксплуатации от сырости и случайного появления воды на ПП. С этой задачей хорошо справляются специальные органические соединения (обычно это лакокрасочное покрытие). Некоторые программные комплексы, выполняющие роль автоматизированного проектирования ПП, имеют определенные условия, касающиеся использования маски. Данные условия устанавливают фиксированный отступ, соблюдение которого является обязательным между краем области пайки и участком паяльной маски.

Маркировка элементов электротехники ПП

Маркировка – это процесс нанесения данных об элементах электротехники ПП, упрощающий ее сборку, проверку и починку. В основном, маркировка предназначена для определения контрольных точек, места и направления, а также номинала элементов электротехники ПП. Также маркировка может быть для различных целей, задаваемых конструктором ПП. Например, для обозначения названия фирмы либо для составления инструкции по программированию и настройке элементов, расположенных на ПП. Маркировка может быть нанесена с любой стороны платы. Способ нанесения маркировки на ПП состоит в нанесении краски (белого, желтого либо черного цвета) с электрическим либо ультрафиолетовым отверждением. Сам процесс нанесения краски на плату называется шелкографией.

Структура слоев в САПР

Выше мы рассмотрели, что ПП может иметь более 2-х слоёв. Печатные платы, спроектированные при помощи программного комплекса, системы автоматизированного проектирования (САПР), чаще всего имеют структуру, состоящую из большого количества слоёв. Среди всех слоёв могут быть как токопроводящие слои, так и диэлектрические (не проводящие ток).

Структура слоев ПП с участием САПР следующая:

• Первый верхний непроводящий слой маркировки
• Второй верхний непроводящий слой паяльной маски
• Третий верхний непроводящий слой паяльной пасты
• Четвертый верхний проводящий слой
• Пятый базовый непроводящий диэлектрик
• Шестой внутренний (второй) проводящий слой

…

• Энный нижний проводящий слой
• Энный -1 – базовый непроводящий диэлектрический слой
• Энный +1 – нижний непроводящий слой пасты, с помощью которой осуществляется пайка
• Энный +2 – нижний непроводящий слой маски, используемой в процессе пайки
• Энный +3 – нижний непроводящий слой маркировки

Структурная толщина ПП обычно меняется, исходя из ее предназначения, но зачастую самой используемой является толщина ПП равная полтора миллиметра.

Группы корпусов электронных компонентов

Производственный рынок предоставляет большой выбор корпусов, предназначенных для электронных компонентов ПП. На один активный либо пассивный компонент может быть предусмотрено несколько моделей корпусов. К примеру, можно встретить один и тот электронный компонент как в корпусе QFP, а также в корпусе LCC. В первом случае, представлен вариант, в котором размещение токопроводящих крепежных контактов может располагаться с любой стороны, как сверху или снизу, так и по бокам корпуса. Во втором случае, микросхема выполнена в низкопрофильном варианте, материал корпуса керамика, чаще всего крепежные токопроводящие контакты располагаются снизу.

Итак, можно обозначить три основных группы корпусов элементов электротехники:

1. Первую группу корпусов представляют Thru-Hole. Они предназначены для монтирования в контактные отверстия, используемые для сквозного монтажа через специальное отверстие в ПП. Электронные компоненты в данном корпусе паяются на обратной стороне ПП, где был вмонтирован компонент. Обычно данные компоненты вставлены только на одной из сторон ПП.
2. Вторую группу корпусов представляют SMD или SMT для монтажа к поверхности ПП. Компоненты в данном корпусе паяются только с одной стороны ПП, на которой находится компонент. Данный тип корпуса может быть вмонтирован с двух сторон ПП, что является его особым преимуществом. Еще одно преимущество корпуса состоит в меньшем размере компонентов, нежели компонентов корпуса первой группы, что дает возможность создавать ПП меньшего размера и с более плотным расположением рисунка проводников на ПП.
3. Третья группа корпусов – это BGA. Используются для монтажа компонентов к поверхности интегральных ПП. Выводы данного типа корпуса представлены в виде припаянных шариков, вмонтированных на проводящих участках с противоположной стороны микросхемы, расположенной на ПП. Процесс плавления шариков происходит за счет нагревания микросхемы на специальной паяльной станции либо благодаря инфракрасному источнику. Расплавленный припой, под воздействие поверхностного натяжения, фиксирует микросхему в конкретном, специально предназначенном для этого месте на ПП. Длина проводника в корпусе типа BGA определяется крайне мелким расстоянием от ПП до микросхемы. Использование корпусов данной группы способствует увеличению величины рабочих частот, а также ускорению процесса обработки данных. К тому же, это корпуса с лучшей термической связью между ПП и микросхемой, что не требует дополнительного монтирования теплоотводов, так как тепло передается от кристалла на ПП с большей эффективностью. Такие корпуса электронных компонентов ПП используются для процессоров компьютеров, мобильных устройств, а также микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения заданных функций.

Контактная площадка печатной платы

Контактная площадка ПП – это определенная область проводящего рисунка ПП, которая используется в целях электрического примыкания вмонтированных устройств электронной техники. Другими словами, свободные от паяльной маски участки проводника, к которым осуществляется припайка выводных компонентов, называется контактной площадкой ПП.

Существует два вида контактных участков – контактный участок установочных отверстий для монтирования в отверстия и планарные участки для поверхностной установки – SMD-участки. Участки с переходным отверстием схожи с участками для монтирования в отверстия.

Характеристика проводников из меди

Главное предназначение проводников состоит в обеспечении подключения двух точек к ПП. К примеру, проводник используется для создания контакта между двумя SMD участками к участкам установочного отверстия либо для совмещения двух переходных отверстий. В зависимости от протекающего тока через проводник, ширина самого проводника будет разной. Кроме того, при высоких показателях частоты, нужно высчитывать ширину проводников и дистанцию между ними. От таких характеристик проводников, как длина, ширина, расположение, напрямую зависят физические величины системы проводников (сопротивление, емкость, индуктивность).

Сквозные металлизированные переходные отверстия ПП

Используются для соединения электрических компонентов между верхним и нижним слоем ПП, тем самым соединяются электрические составляющие проводящего рисунка на верхнем и нижнем слое ПП. Такие отверстия дают возможность протеканию тока через плату. Каждый проводник имеет свое обозначенное отверстие перехода, проводящее электрический ток между слоями.

«Глухое» металлизированное отверстие ПП

В платах высокой плотности соединений (HDI) необходимо использовать многослойные конструкции, от трех и более слоев. В конструкциях, содержащих множество электронных схем произвольной сложности, задействованы специальные слои для снабжения электроэнергией и заземления (Vcc или GND). Следовательно, проводящие слои, расположенные снаружи, не несут на себе линии питания, что делает их разводку проще. Существует также вариант, когда проводники реализуемых рисунков схем должны перейти от нижнего либо верхнего наружного слоя по сокращенному пути в один из внутренних слоев, чтобы соблюсти требования по волновому сопротивлению, электростатической устойчивости, гальванической развязке. Для создания данного соединения применяется так называемое «глухое» отверстие. Оно соединяет внешний слой с внутренним слоем, что дает возможность минимального по высоте подключения. Начало отверстие берет на наружном слое, конец – на внутреннем, что отразилось на его названии с префиксом «глухое» в противовес «сквозному».

Для определения отверстия ПП, можно поместить ПП над источником света. Если свет будет проходить от источника через отверстие, то в данном случае переходное отверстие является сквозным. Если же обратная ситуация, то это отверстие является глухим. Их применение будет уместно, когда размер ограничен и места для расположения элементов и проводящих рисунков слишком много. Можно расположить электронные элементы на двух сторонах платы и сделать пространство под проводящие рисунки и иные элементы предельно большим. В случае, если переход выполнен не через глухое отверстие, а через сквозное, то потребуется организация дополнительного места для отверстия, поскольку отверстие располагается с верхней и нижней стороны платы. К примеру, для создания проводящих схем крупных и сложных компонентов, заключенных в корпус типа BGA глухие отверстия могут располагаться под корпусом микроэлектронного устройства. Недостатком глухого отверстия является стоимость изготовления ПП с таким отверстием, нежели цена на ПП с отверстием сквозного типа.

Скрытые переходные отверстия

Как правило, такого типа отверстия просверливаются через несколько внутренних слоев механическим способом. Отверстия схожи с отверстиями глухого вида. Разница между глухим и скрытым переходным отверстием состоит только в начальной и конечной точке отверстий на внутренних слоях последних.

Технология изготовления отверстий глухого и скрытного переходного типов

Исходя из конструкции, заложенной разработчиком, а также возможностей производственной организации, технология изготовления отверстий бывает разнообразной. Рассмотрим два основных способа изготовления отверстий:

1. В 2-хсторонней заготовке платы делается отверстие, после чего проводится предварительная металлизация отверстия и последующее нанесение гальванической меди. Такая заготовка платы, состоящая из двух слоев (ДПП) прессуется с использованием препреговой технологии в соединении с платой, состоящей из нескольких слоев (МПП). Если заготовка ДПП будет размещена сверху многослойной платы, то в результате получится глухое отверстие. Если заготовка ДПП располагается внутри МПП, то по итогу выходит скрытое переходное отверстие.
2. В многослойной спрессованной заготовке платы делается отверстие определенной глубины для точного попадания в участок внутренних слоев. После чего отверстие металлизируется. В конечном результате получается глухое отверстие.

Если конструкция ПП, состоит из нескольких слоев, то можно использовать соединение рассмотренных двух способов изготовления отверстий.

Стоит отметить, что использование отверстий глухого типа может удешевить всю проектную задумку, ввиду экономии на слоях, простоты элементов, уменьшения размера ПП, а также использования элементов ручного и полуавтоматического способа. Решение об использовании глухих отверстий в каждой конкретной ситуации должно быть рассмотрено в отдельности. Не нужно также переусердствовать с использованием трудных и многообразных видов отверстий глухого и скрытого типов. Если стоит выбор между включением в плату одного дополнительного несквозного отверстия и увеличением слоев, практичным будет выбор в пользу слоев. Так или иначе, общая конструкция многослойных плат должна разрабатываться с полным пониманием ее дальнейшей производственной эксплуатации.

Защитное металлизированное покрытие и его виды

Чтобы в конечном итоге получить прочное паяное соединение, следует учитывать все конструктивные и технологические составляющие в изготовлении электронных элементов, в том числе, должно учитываться качество пайки компонентов и печатных проводников. В целях сохранения готовности ПП к пайке до установки электронных элементов, а также в целях прочного крепления паяных соединений, важно обеспечить защиту металлизированной поверхности контактных участков ПП от коррозии.

Если внимательно присмотреться к разным платам, то можно обнаружить, что контактные участки практически всегда не имеют медного цвета. В основном контактные площадки имеют серебристый, блестящий золотой либо матовый серый цвета, обозначающие типы защитных металлизированных покрытий.

Самым популярным способом защиты медной поверхности ПП является нанесение на металлизированный контактный участок серебристого слоя (сплав олова со свинцом).

Существуют четыре вида защитных металлизированных покрытий платы.

Многие производители ПП используют защитный метод горячего лужения HASL. ПП погружается на небольшой промежуток времени в емкость, с заранее подготовленным расплавленным припоем. Затем плата быстро вынимается и обдувается потоком горячего воздуха, который устраняет остатки припоя и выравнивает медное покрытие. Это один из самых часто используемых методов защиты покрытия платы, несмотря на его ограниченные технические характеристики. Платы, поверхность которых покрыты таким защитным методом, отлично поддерживают паяемость на протяжении всего эксплуатационного периода, однако для отдельных вариантов использования могут не подойти. Например, для большой включенности электронных элементов в корпусах семейства SMT необходима безупречно ровная плоскость контактных участков ПП. Стандартное HASL-покрытие не отвечает условиям плоскостности.

Теперь рассмотрим защитные покрытия, которые отвечают требованиям плоскостности. В основном это следующие химические методы защиты:

• Иммерсионное золочение – это тонкая пленка из золота, которая наносится сверху подслоя никеля. Химический элемент (Au) создает прочную паяемость, уберегает от коррозии никель, который, в свою очередь, предотвращает взаимное растекание металла меди и золота. Такое покрытие обеспечивает отличную плоскостность контактных участков без нарушения целостной конструкции ПП, а также гарантирует надежность паяных соединений, которые выполнены припоями из оловянного сплава. Недостатком данного защитного покрытия является высокая сумма денежных затрат производства.
• Иммерсионное олово – химическое покрытие серого матового цвета, создает хорошую планарность контактных участков, совместимо со всеми вариантами пайки, в отличие от предыдущего типа защитного покрытия. Олово гарантирует прекрасную сохранность пайки элементов платы. Принцип нанесения на плату схож с нанесением предыдущего защитного покрытия. Такое защитное покрытие нуждается в осторожной эксплуатации. Платы с защитным покрытием данного типа следует хранить в вакуумном упаковочном материале в защищенном от света, сухом месте. Не подходят для компьютеров, а также электронных устройств с ножевыми разъемами, поскольку в ходе эксплуатации платы, контакты плоских разъемов подвержены трению. Для того, что избежать трения, на плоские разъемы наносят плотный слой золота, что и является еще одним методом защиты металлизированных покрытий, который получил название гальванического золочения плоских разъёмов. Наносится золочение на концевые контакты и контактные участки при помощи электрохимического осаждения. Золочение отличается высокой прочностью, стойкостью к влаге. Покрытие данного вида незаменимо в ситуации необходимости создания прочного электрического соединения.