9 Проектирование печатных плат

9.1 Основные понятия и критерии

ПП – это элемент конструкции состоящий из диэлектрического основания с нанесёнными на её поверхность плоскими проводниками, в виде участков металлизированного покрытия, которые обеспечивают соединение электрической цепи.

ПП с размещенными на ней навесными элементами и всеми электрическими и механическими подсоединениями называется печатным узлом.

Основание ПП – это листовой диэлектрический материал, вырезанный по определенному размеру и подготовленный для  нанесения рисунка.

Рисунок ПП – конфигурация проводникового или изоляционного слоя. Рисунок состоит из контактных площадок и проводников.

Печатный проводник – непрерывная проводящая пленка или площадка в проводящем слое.

Контактная площадка – часть печатного проводника на поверхности, в отверстии или толще основания, используемая для соединения навесных элементов или для контрольных подсоединений. Существует библиотека контактных площадок стандартной формы под различные элементы (ГОСТ 23751-79).

При конструировании ПП необходимо использовать четыре критерия:

1) габаритный;

Рекомендуемые материалы

2) точности рисунка и толщины проводящего слоя;

3) числа слоёв;

4) материала основания.

Выбор габаритов ПП должен исходить из разбиения схемы электрической принципиальной на функциональные узлы. При выборе размера необходимо придерживаться ГОСТ 10317-79 «Печатные платы. Основные размеры»

Размеры ПП меняются следующим образом:

1) шаг 2,5 до 100 мм;

2) шаг 5 мм, 100..350 мм;

3) шаг 10 мм, 350..470 мм.

Отношение сторон не более 1:4.

Предпочтительным является размер 170*75 мм.

Рисунок 17 - Предпочтительные размеры ПП

Этот нелинейный размер из рекомендуемого ряда обладает следующими достоинствами перед большими ПП:

Этот нелинейный размер из рекомендуемого ряда обладает следующими достоинствами перед большими ПП:

1) слабым короблением;

2) хорошим теплообменом в центре платы;

3) высокой ремонтопригодностью;

4) низкими ударными нагрузками.

Наряду с этими достоинствами существуют и недостатки ПП малого размера:

1) требуются дополнительные соединители, что повышает трудоёмкость сборки и снижает надёжность;

2)  с увеличением крепёжной арматуры увеличивается масса.

Поэтому в технически обоснованных случаях ряд типоразмеров изменяется в сторону увеличения.

Плотность рисунка и толщина проводящего слоя

В соответствии с ГОСТ 23751-86 для ОПП, ДПП, МПП и ГПП установлены 5 классов точности рисунка:

Таблица 1 - Классы точности печатного рисунка

1, 2 класс используется для ПП с дискретными радиоэлементами при малой и средней насыщенности.

3 класс используется для ПП с микросборками и микросхемами, имеющие штыревые и планарные выводы, а также безвыводные ЭРЭ, при средней насыщенности.

4,5 класс используется для ПП как и третий класс, но с высокой насыщенностью элементов.

Критерий числа слоев

1 – печатный проводник

2 – основание ПП

3 – монтажное или переходное отверстие

4 – металлизация

МПП

Многослойная ПП состоит из чередующихся диэлектрических слоёв с нанесенным на них рисунком.

Конструктор выбирает число слоёв ПП исходя из решения конкретной задачи. Но необходимо учитывать, что с ростом возможности трассировки в последовательности ОПП→ДПП→МПП растет трудоёмкость изготовления и снижается надёжность.

Критерий материала основания

Материал основания и его толщина оказывают влияние на такие свойства ПП как:

1) жескость;

2) собственная ёмкость;

3) теплопроводность.

Разработан ряд толщин основания ПП 0,1-0,2-0,4-гибкие; 0,8-1,0-1,5-2,0-3,0-жесткие.

Наибольшее распространение в получили толщины 1,0 и 1,5 мм., которые позволяют получение металлизированных отверстий с минимальным диаметром 0,32 и 0,48 мм. соответственно.

Для основания ПП применяют такие материалы как:

1) Фольгированный гетинакс ГФ – 1(2)-35(50);

2) Стеклотекстолит фольгированныйСФ – 1(2)-35(50);

3) Диэлектрик фольгированный для многослойного печатного монтажа. ФДМ – 1(2) ;

4) СПТ – 3 – прокладочная стеклоткань;

5) СФТ – 1(2) – стеклотекстолит фольгированный травящийся;

6) СТФ – 1(2) - стеклотекстолит фольгированный теплостойкий.

9.2 Электрические характеристики ПП

Отметим, что постоянный ток в печатном проводнике равномерно распределяется по его сечению.

Режим постоянного тока характеризуется сопротивлением проводника:

; ,

где - поперечное сечение проводника;

- длина проводника;

- удельное объемное электрическое сопротивление проводника.

Величина  зависти от способа изготовления и колеблется в интервале . 

Исходя из требований допустимого прогрева печатных проводников (80°C) экспериментально для них установлена допустимая плотность тока  . Для стабильной работы ПП должно выполняться условие:

,

где  - ток, протекающий в печатном проводнике.

Расчет на допустимую плотность тока следует проводить для узких проводников с шириной b<1 мм, в которых ток превышает по величине 2А.

При ширине проводника b≥1мм и толщине hп≥50мкм такой расчет обычно не проводиться.

Требуемая ширина сигнального проводника:

  

где  – удельное сопротивление, Ом*мм²/м;

 – ток, А;

 -  длина проводника, м;

 - допустимое падение напряжения (обычно не выше уровня статической помехоустойчивости интегральной микросхемы ~ 0,4…0,5В или 5% от напряжения питания).

Паразитная емкость между проводниками вычисляется по формуле:

;

где   - коэффициент, зависящий от ширины проводников и их взаимного расположения;

 - длина взаимного перекрытия проводников, см;

 - диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между проводниками.

В зависимости от расположения проводников получены графики нахождения коэффициента .

Для расположения 1 и 2  определяется по формуле:

,

так как линии электрического поля проходят через воздух.

А для 3 и 4 случая: , где  - диэлектрическая проницаемость материала основания.

Точность указанных формул по вычислению паразитных параметров относительно мала и колеблется от 20% до 30%, поэтому эти величины следует определять с помощью приборов.

Значение паразитных емкостей обычно колеблется в диапазоне:  а паразитных индуктивностей .

9.3 Особенности конструирования ПП

Основой для выполнения чертежей ПП является шаг координатной сетки. Основной шаг: 2,5 мм. Дополнительные шаги: 1,25; 0,625; 0,3125. Координатная сетка позволяет не проставлять все размеры, а определять их по координатам.

При разработке конструкции и выполнении чертежа ПП, необходимо выполнять следующие правила:

1) Центры монтажных и переходных отверстий располагают в узлах (точках пересечения линий) координатной сетки.

2) Если 1-е условие не выполняется, то один вывод располагается в узле сетки, а второй - на горизонтальной или вертикальной линии сетки;

3) Диаметр монтажных отверстий должен быть больше диаметра вывода на некоторую величину:  при  и  при . Для ПП с металлизированными отверстиями необходимо учитывать толщину слоя металлизации ПП, поэтому сверлить отверстия необходимо  с диаметром .

4) Для надежного соединения печатного проводника с элементом,  вокруг монтажного отверстия делают контактную площадку, чаще всего в виде кольца.

Диаметр контактной площадки в общем виде определяется по формуле:

,

где   – диаметр отверстия;

– минимальная радиальная толщина контактной площадки, зависит от плотности монтажа (для повышенной плотности - ; для пониженной - )

 - величина, учитывающая разброс межцентрового расстояния (для разных технологий изготовления ПП – ).

5) Планарные (плоские) выводы микросхем требуют выполнения прямоугольных контактных площадок. На контактной площадке для первого вывода делается «ключ»:

6) Проводники на всём их протяжении должны иметь одинаковую ширину. При прохождении проводников через узкие места ширина их уменьшается, а затем вновь увеличивается. Либо при прохождении проводника через «узкое» место между контактами, ширина проводника остается прежней, а контактные площадки подрезаются.

9.4 Топологическое конструирование ПП

Топологическим конструированием называется размещение ЭРЭ на рабочей площади ПП и трассировка соединений между контактными площадками.

При размещении расставляют  навесные элементы на плате, распределяют контакты соединителей и размещают контрольные гнезда.

При трассировке прокладывают  линии соединений (проводники между контактными площадками в соответствии со схемой электрической принципиальной).

Критерием наилучшего решения при топологическом конструировании ПП является достижение двух минимумов:

1) длины связей

2) пересечений и переходных отверстий

Несмотря на тесную связь размещения и трассировки, конструирование ПП начинается с предварительного размещения радиоэлементов и ИС.

По нормам компактного размещения ИС, МС, ЭРЭ их располагают рядами.

Рассмотрим ПП представленную на рисунке 18:

где    1 - посадочное место- площадь, занимаемая на ПП навесным элементом;

2   - рабочее место ПП - зона расположения посадочных мест;

3 - краевое поле ПП - предусматривается  для технологических целей;

x - ширина краевого поля слева и справа зависит от формы выводов элементов и направляющих. Если они штыревые, то ширина поля равна 5 мм, для планарных- 2,5 мм;

y1 - ширина краевого поля cверху. При отсутствии контрольных гнезд принимается равной 2,5 мм, а с ними - 12,5 мм;

y2 - ширина  краевого поля снизу. Определяется в зависимости от типа разъема (соединителя) и колеблется от 17,5 мм до 30 мм;

Lx и Ly – размеры ПП по осям x и y;

lx и ly – размеры посадочного места по осям x и y;

tx , ty – зазор установки элементов  по осям x и y;

Рисунок 18 - Топологическое конструирование

Расчет общего числа посадочных мест или навесных элементов при одностороннем размещении производится по формуле:

  (1)

где число посадочных мест по оси x () в одном ряду:

    (2)

а число посадочных мест по оси y () равно:

 (3)

где шаг элементов:

,  .

Полученные значения и  уменьшают до целого значения. После определения количества элементов возвращаются к трассировке.

При трассировке придерживаются следующих правил:

1) печатные проводники, соединяющие элементы схемы, должны иметь минимальную длину;

2) прокладывать рядом входные и выходные проводники не рекомендуется из-за возникновения паразитных связей;

3) проводники входных и выходных цепей целесообразно разделить экранирующими проводниками или шинами с нулевым потенциалом;

4) цепи земляных шин, по которым текут максимальные токи, следует выполнять максимальной ширины;

5) печатный проводник, проходящий между двумя контактными площадками  следует располагать так, чтобы его ось была перпендикулярной линии, соединяющей центры отверстий;

6) в узких местах допускается подрезка контактных площадок;

7) при трассировке проводников необходимо учитывать то, что выполнение её должно быть без резких перегибов и острых углов.

9.5 Методы изготовления ПП

Субтрактивный метод (от лат.  «отнимание») в настоящее время самый распространенный, лучше освоен технологически. В качестве исходного материала используют одно- или двухсторонние  фольгированные диэлектрики (в основном фольгированные медью).

Рисунок печатного проводника наносится на фольгированную основу в виде защитной резистивной пленки, а непокрытые резистом места удаляются с помощью травления.

Аддитивные методы (от лат. «прибавлять»)

При этом методе исходным является нефольгированный диэлектрик, на поверхность которого наносится желаемый рисунок печатной платы.

Преимущества аддитивного метода по сравнению с субтрактивным:

• Более высокая надежность, так как проводники и металлизация отверстий получаются в едином гальваническом цикле;

• Однородность соединений между проводниками и металлизацией отверстий;

• Отсутствие подтравливания;

• Отсутствие гальванического защитного покрытия при травлении;

• Экономия меди и химикатов;

• Упрощение технологического процесса.

Существуют  два основных варианта аддитивного метода получения ПП:

- химический

- химико-гальванический

 При химическом методе слои получают на основе восстановительного соединения, при этом слои получаются до 10 мкм  при удовлетворительных механических и физических свойствах покрытия. Недостатки – высокая стоимость изделий (в 3-4 раза дороже, чем при гальваническом осаждении) и низкая скорость осаждения.

Чтобы устранить недостатки химического метода часто обращаются к комбинированным методам (химико-гальванический метод). При этом на поверхности нефольгированного диэлектрика сначала химически получают связанный с подложкой слой меди толщиной до 5 мкм, который при последующем селективном гальваническом наращивании служит рисунком печатных проводников, а по окончании наращивания вытравливается, где это необходимо. Недостаток метода – неравномерная толщина покрытия в отверстиях из-за неравномерного распределения плотности тока гальванических ванн и возникновение переходной зоны между химически восстановленной и гальванически осажденной медью.

 

9.5.1 Методы изготовления ОПП

Чаще всего ОПП изготавливают субтрактивным химическим методом, который реализуется в двух вариантах:

- негативном;

-позитивном.

В обоих методах используют односторонне фольгированный диэлектрик, на который после тщательной зачистки медной поверхности наносится, на основе фоторезистов, позитивный или негативный рисунок печатной платы.

Позитивный метод

При  данном методе непокрытые защитным слоем - рельефом участки медной фольги удаляются травлением.

Трафаретная печать:

 Резистивное покрытие, устойчивое к травлению, переносится на фольгу через сетчатый трафарет. Толщина слоя резиста 10-30 мкм. Недостаток – невысокая точность выполнения рисунка.

Метод фотопечати:

Поверхность фольгированного диэлектрика покрывают позитивным светочувствительным или негативным фоторезистом, на который копируют рисунок расположения проводников. Метод фотопечати по отношению ко всем другим методам создания защитных рельефов обеспечивает самую высокую точность, а также лучшую четкость и резкость контуров.

Метод офсетной печати:

Используется редко и в основном для больших серий, так как используется дорогостоящее оборудование. Достигаемое качество и точность рисунка ПП ниже, чем при методе фотопечати.

Негативный вариант химического способа

После создания защитного рельефа производится гальваническое покрытие едных поверхностей, незащищенных фоторезистом. Точность получения рисунка выше при данном методе, но он дороже.

9.5.2 Методы изготовления ДПП

 

В основе технологии изготовления ДПП с переходными соединениями методом травления фольги (субтрактивный метод)  лежат те же процессы, что и при изготовлении ОПП, дополненные созданием переходных соединений. 

Для электрического соединения рисунков проводников ДПП применяют металлизацию отверстий. Ее получают комбинированным химико-гальваническим методом.

Особенности технологии:

1. Материал заготовки – двухсторонний фольгированный стеклотекстолит с толщиной фольги 8,12,35,50 мкм.

2. Получение отверстий

Получают только сверлением, так как пробивка разрушает структуру диэлектрика на стенках отверстий, а сверление обеспечивает чистые и гладкие стенки, которые являются основой для получения качественного покрытия.

3. Сенсибилизация   проводится в растворе двухлористого олова, а активация – в растворе хлористого палладия. В результате на поверхность диэлектрика внедряются атомы палладия – это подготовка к химическому    осаждению.

4. Химическое меднение. Толщина слоя при химическом меднении получается 1-5 мкм. При  нанесении, чем тоньше слой, тем выше производительность (1 мкм в час)  и тем качественнее покрытие. Пленка меди, получаемая при химическом осаждении – рыхлая, с плохой проводимостью и, поэтому, неравномерна по толщине.

5. Создание защитного рельефа. Способ получения – трафаретная печать, фотопечать (как и ОПП).

Остальные операции аналогичны производству ОПП.

9.5.3 Методы изготовления МПП

1. Метод попарного прессования

            Для изготовления МПП в этом случае используются две заготовки двухстороннего фольгированного диэлектрика.

1,2 – заготовки фольгированного стеклотекстолита

3,4 – печатные проводники

5,6 – металлизированные отверстия на заготовках

7 – изолирующий слой

8 – сквозное металлизированное отверстие

На каждой заготовке с внутренней стороны получают печатный рисунок проводниками (3,4) с металлизированными отверстиями (5,6). Между собой заготовки прессуются с разделением изолирующим слоем (7), после чего на внешнюю поверхность полученной заготовки клеится фольга, затем выполняются печатные проводники и металлизированные отверстия.

2 Метод металлизации сквозных отверстий

   1 – заготовки фольгированного стеклотекстолита;

   2 – изолирующий слой;    3 – металлизированные отверстия.

Слои МПП прессуются при высокой температуре, сверлятся отверстия и металлизируются, затем протравливается рисунок на верхнем слое ПП.

Недостаток: площадь контакта печатного проводника с металлизацией получается малой, в результате при нагреве может произойти разрыв.

Для увеличения площади контакта увеличивают толщину фольги от 50 мкм до 100 мкм.

3 Метод послойного наращивания

d₀>0.8 мм

1 –лист фольги. 2 – изоляционный слой;

В лекции "36 Исполнение наказания в США" также много полезной информации.

3 – печатный рисунок

К листу 1 приклеиваются изоляционные прокладки 2 с отверстиями, через которые происходит осаждение меди. Далее приклеиваются новая изоляционная прокладка, осаждается второй слой и т. д. В последнюю очередь вытравливается рисунок на месте фольги.

Предназначены для планарных устройств, имеют недостаток – длительный процесс производства.

4 МПП с открытыми контактными площадками

Для изготовления таких плат применяют диэлектрик  ФДМ – 1 толщиной 0,2 мм со слоем меди в 35 мкм. на этом материале фотохимическим методом получают печатные проводники с контактными площадками.

Через МПП проходят, так называемые «окна» (1) до контактных площадок (2) на определенном слое. Все слои прессуют вместе, затем через окна в контактных площадках сверлят сквозные отверстия (3) для установки выводов ЭРЭ. Иногда применяют металлизацию отверстий (3) для повышения надежности пайки.

Недостатком таких МПП является отсутствие электрической связи между слоями (эта связь возможна с помощью перемычек) и невозможность механизации пайки.