Печатные платы и материалы

ТЕМА 3: ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Лекция №15. Печатные платы и материалы.

Печатной платой (ПП) – изделие, состоящее из плоского изоляционного основания с отверстиями, пазами, вырезами и системой токопроводящих проводников, которое используют для установки и коммутации ИМС, ЭРЭ и функциональных узлов в соответствии с электрической принципиальной схемой.

Печатный монтаж – способ монтажа, при котором электрическое соединение элементов электронного узла, включая экраны, выполнено с помощью печатных проводников.

3.1

Основными видами печатных плат являются: односторонние ПП; двусторонние ПП; многослойные ПП; гибкие ПП; гибкие печатные кабели.

Однослойные ПП –  это основание, на одной стороне которого выполнен проводящий рисунок, а на другой стороне размещаются ЭРЭ и ИМС.

Двусторонние ПП – это основание, на обеих сторонах которого выполнены проводящие рисунки и все требуемые соединения. ЭРЭ и ИМС преимущественно на одной стороне.

Рекомендуемые материалы

Многослойные ПП – это основа, состоящая из чередующихся слоев изоляционного материала с проводящими рисунками на двух и более слоях, между которыми выполнены требуемые соединения. Многослойный печатный монтаж позволяет уменьшить габаритные размеры, вследствие повышения плотности монтажа, и трудоемкость выполнения монтажных соединений. При этом хорошо решается задача пересечения и распределения проводников.

Гибкая ПП – имеет гибкое основание. По расположению проводников и ЭРЭ она аналогична обычной двусторонней ПП.

Гибкий печ. кабель – состоит из полосок проводящего материала (меди), расположенных параллельно и заклеенных между двумя гибкими пленками изоляционного материала. Число проводников может быть от 2 до 50.

Гибко-жесткая ПП – плата, имеющая от 1 до 20 и более соединительных наборов из односторонних и двусторонних гибких ПП между жесткими ПП.

3.2

По точности выполнения печатных элементов конструкции (проводников, контактных площадок и др.) все ПП делят на 5 классов  (ГОСТ 23751-86) отличающихся минимальными размерами элементов печатного проводящего рисунка и расстояния между ними 1 и 2 классы применяются в случае с малым количеством ЭРЭ и ИМС и малой степенью интеграции; 3 класс – для ИМС со штырьковыми и планарными выводами при средней и высокой плотности ЭРЭ на поверхности; 4 класс – при высокой плотности корпусных и бескорпусных ИМС и поверхностно-монтируемых элементов; 5 класс – при сверхвысокой концентрации корпусных и бескорпусных ИМС и поверхностно-монтируемых элементов.     

3.3

Ширину печатных проводников рассчитывают и выбирают в зависимости от допустимой токовой нагрузки, свойств токопроводящего материала, температуры окружающей среды при эксплуатации. Края проводников должны быть ровными, проводники без вздутий, отслоений, разрывов, протравов, пор, крупнозернистости, трещин, т.к. эти дефекты влияют на сопротивление проводника, плотность тока, волновое сопротивление и скорость распространения сигнала.  

Расстояние между проводниками, расположенными на наружных или в соседних слоях ПП, зависит от допустимого рабочего напряжения, свойств диэлектриков, условий эксплуатации и связано с помехоустойчивостью, искажением сигналов и короткими замыканиями. 

Координатная сетка чертежа ПП определяет место расположения соединений ЭРЭ и ИМС с ПП. В узлах пересечений сетки располагаются монтажные и переходные отверстия. Основной шаг координатной сетки равен 0,5 мм с кратностью 1, 2, 5, 6, 10 по осям Х и Y или 0,05 с кратностью 5, 10, 15, 20, 25. Допустимыми шагами координатной сетки являются дюймовые шаги, которые применяются при использовании ИМС с шагом выводов равным 0,1” или 2,54 мм.

Диаметры монтажных и переходных отверстий металлизированных и неметаллизированных должны соответствовать стандарту и выбираться из ряда от 0,4 до 3,0 с шагом 0,1 мм. Монтажные отверстия предназначены для установки ИМС и ЭРЭ, а переходные отверстия – для электрической связи между слоями или сторонами ПП. Переходные отверстия в ПП бывают сквозные металлизированные, обеспечивающие контакт между внутренними слоями, несквозные, создающие контакт между наружным и одним из внутренних слоев, несквозные микропереходные отверстия.

Размеры ПП, если они специально не оговорены в ТЗ, определяются с учетом количества устанавливаемых элементов, их установочных площадей, шага установки, зон установки соединителя и пр.   

Таблица 3.1. Линейные размеры ПП, мм

Кривизна ПП цилиндрическое или сферическое искривление основания появляется в результате воздействия высокой температуры и влажности. Допустимое значение изгиба ПП на длине 100 мм зависит от типа ПП и ее толщины и не может быть более 0,5 мм

Коробление ПП спиральное искривление противоположных кромок основания ПП, скручивание может привести к разрыву проводников, осложняет процесс изготовления ПП и установки элементов при сборке модуля.

Допустимая токовая нагрузка для печатных проводников выбираются в зависимости от допустимого превышения температуры проводника относительно температуры окружающей среды: для медной фольги – от 100 до 250 А/мм², для гальванической меди – от 60 до 100 А/мм². Допустимое рабочее напряжение между элементами проводящего рисунка, расположенными в соседних слоях ПП, зависит от материала основания ПП,  расстояния между элементами рисунка и условий эксплуатации.

Электрическими характеристиками ПП являются также сопротивление печатных проводников, изоляции, поверхностное и объемное сопротивление изоляции, электрическая прочность изоляции (напряжение пробоя), диэлектрическая проницаемость диэлектрика, тангенс угла диэлектрических потерь, емкость и индуктивность (погонная) проводника, взаимная емкость и индуктивность параллельно расположенных проводников, мощность потерь ПП, величина и предельное отклонение волнового сопротивления линии передачи и др.

Все типы ПП должны обеспечивать работоспособность при воздействии на них климатических факторов в соответствии с установленной в ТЗ группой жесткости. Технологические требования к ПП определяются условиями сборки. Контактные площадки ПП с металлизированными отверстиями должны выдерживать не менее 4  циклов перепаек, без металлизации – не менее 3 перепаек.  

Материалы печатных плат.

В качестве основания используют фольгированные и нефольгированные диэлектрики (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, стеклоткань, лавсан, полиамид, фторопласт и др.), керамические материалы, металлические пластины, изоляционный прокладочный материал (препрег). Основания ПП изготовляются из материала, способного хорошо сцепляться с металлом проводников; иметь диэлектрическую проницаемость не более 7 и малый тангенс угла диэлектрических потерь; обладать достаточно высокой механической и электрической прочностью; допускать возможность обработки резанием, штамповкой и сверлением без образования сколов, трещин и расслоения диэлектрика; сохранять свои свойства при воздействии климатических факторов, обладать негорючестью и огнестойкостью; обладать низким водопоглощением, низким значением Теплового коэффициента линейного расширения, плоскостностью, а также устойчивостью к агрессивным средам в процессе создания рисунка схемы и пайки.

Материалы основания – это слоистые прессованные пластины, пропитанные искусственной смолой и возможно облицованные с одной или двух сторон медной электролитической фольгой. Фольгированные диэлектрики применяются в субтрактивных методах изготовления ПП, нефольгированные – в аддитивных и полуаддитивных. Толщина токопроводящего слоя может быть 5, 9, 12, 18, 35, 50, 70 и 100 мкм.

В производстве применяют материалы, например, для ОПП и ДПП –стеклотекстолит фольгированный марок СФ-1-50 и СФ-2-50 с толщиной медной фольги 50 мкм и собственной толщиной от 0,5 до 3.0 мм; для МПП – фольгированный травящийся стеклотекстолит ФТС-1-18А и ФТС-2-18А с толщиной медной фольги 18 мкм и собственной толщиной от 0,1 до 0,5 мм; для ГПП и ГПК – фольгированный лавсан ЛФ-1 с толщиной медной фольги 35 или 50 мкм и собственной толщиной от 0,05 до 0,1 мм.

По сравнению с гетинаксами стеклотекстолиты имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, меньшее влагопоглощение. Однако у них есть ряд недостатков, например, невысокая нагревостойкость по сравнению с полиамидами, что способствует загрязнению смолой торцов внутренних слоев при сверлении отверстий.

Для изготовления ПП, обеспечивающих надежную передачу наносекундных импульсов, необходимо применять материалы с улучшенными диэлектрическими свойствами, к ним относят ПП из органических материалов с относительной диэлектрической проницаемостью ниже 3,5.

Для изготовления ПП, эксплуатируемых в условиях повышенной опасности возгорания, применяют огнестойкие материалы, например, стектотекстолиты марок СОНФ, СТНФ, СФВН, СТФ.

Для изготовления ГПК, выдерживающих многократные изгибы на 90° в обе стороны от исходного положения с радиусом 3 мм, применяют фольгированный лавсан и фторопласт. Материалы с толщиной фольги 5 мкм позволяют изготовить ПП 4-го и 5-го классов точности.    

Изоляционный прокладочный материал применяют для склеивания слоев ПП. Их изготавливают из стеклоткани, пропитанной недополимеризированной термореактивной эпоксидной смолой с нанесенным с двух сторон адгезионным покрытием.

Вам также может быть полезна лекция "26 Связь аэ с дефектами кристаллической решетки".

Для защиты поверхности ПП и ГПК от внешних воздействий применяют полимерные защитные лаки и покрывные защитные пленки.

Керамические материалы характеризуются стабильностью электрических и геометрических параметров; стабильной высокой механической прочностью в широком диапазоне температур; высокой теплопроводностью; низким влагопоглощением. Недостатками являются длительный цикл изготовления, большая усадка материала, хрупкость, высокая стоимость и др.

Металлические основания применяются в теплонагруженных ПП для улучшения отвода тепла от ИМС и ЭРЭ в ЭА с большой токовой нагрузкой, работающих при высоких температурах, а также для повышения жесткости ПП, выполненных на тонких основаниях; их изготавливают из алюминия, титана, стали и меди.

Для печатных плат с высокой плотностью монтажа и с микропереходами применяют материалы, пригодные для обработки лазером. Эти материалы можно разделить на две группы:

1. Упрочненные нетканые стекломатериалы и преприги с заданной геометрией и распределением нити; органические материалы с неориентированным расположением волокон Преприг для лазерной технологии имеет меньшую толщину стеклоткани по оси Z по сравнению со стандартной стеклотканью.

2. Неупрочненные материалы (медная фольга покрытая смолой, полимеризованная смола), жидкие диэлектрики и диэлектрики с нанесенной сухой пленкой.