Конструирование радиоэлектронной аппаратуры Печатные платы

Печатные платы - это элементы конструкции, которые состоят из плоских проводников в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение элементов электрической цепи. Они получили широкое распространение в производстве модулей, ячеек и блоков РЭА благодаря следующим преимуществам по сравнению с традиционным объемным монтажом проводниками и кабелями:

• повышение плотности размещения компонентов и плотности монтажных соединений, возможность существенного уменьшения габаритов и веса изделий;

• получение печатных проводников, экранирующих поверхностей и электро- и радиодеталей (ЭРЭ) в одном технологическом цикле;

• гарантированная стабильность и повторяемость электрических характеристик (проводимости, паразитных емкости и индуктивности);

• повышение быстродействия и помехозащищенности схем;

• повышенная стойкость и климатическим и механическим воздействиям;

• унификация и стандартизация конструктивных и технологических решений;

• увеличение надежности узлов, блоков и устройства в целом;

• улучшение технологичности за счет комплексной автоматизации монтажно-сборочных и контрольно-регулировочных работ;

• снижение трудоемкости, материалоемкости и себестоимости.

К недостаткам следует отнести сложность внесения изменений в конструкцию и ограниченную ремонтопригодность.

Элементами ПП являются диэлектрическое основание, металлическое покрытие в виде рисунка печатных проводников и контактных площадок, монтажные и фиксирующие отверстия.

Основные термины и определения

Печатная плата - материал основания, вырезанный по размеру, содержащий необходимые отверстия и, по меньшей мере, один рисунок.

Печатный узел - это печатная плата с присоединёнными к ней электрическими и механическими элементами и (или) с другими печатными платами и с выполненными всеми процессами обработки.

Рисунок печатной платы – конфигурация проводникового и (или) диэлектрического материала, печатной платы.

Проводящий рисунок - рисунок печатной платы, образованный проводниковым материалом.

Материал основания печатной платы – материал, на котором выполняется рисунок печатной платы.

Виды печатных плат. В зависимости от числа нанесенных печатных проводящих слоев печатные платы разделяются на одно- двух- и многослойные. Первые два типа называют также одно- и двусторонними.

Односторонняя печатная плата (ОПП) - печатная плата, на одной стороне которой выполнен проводящий рисунок. Конструкция ОПП (Рис.3):

Рис. 3 – Конструкция ОПП

где: - толщина платы ( );

- толщина основания;

- толщина фольги;

- диаметр контактных площадок (КП) (площадок для пайки элементов);

- диаметр отверстия;

- гарантийный поясок;

- расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка;

- ширина печатного проводника;

- расстояние от края платы или выреза до элемента проводящего рисунка.

Типовые параметры ОПП:

• максимальный размер заготовки - 400×330 мм,

• d = 0,6 мм,

• t = 0,15 мм,

• S = 0,15 мм,

• h_ф = 36 мкм,

• H_п = 1,6 мм.

ОПП составляют значительную долю выпускаемых в мире печатных плат. В США они составляют около 70% объема выпуска плат в количественном исчислении, однако, лишь 10% в стоимостном исчислении. Стоимость ОПП составляет 0,1 – 0,2 от стоимости двусторонних печатных плат (ДПП), это делает их конкурентными, особенно в сфере бытовой техники.

Односторонние печатные платы (ОПП) выполняются на слоистом прессованном или рельефном литом основании без металлизации или с металлизацией монтажных отверстий. Платы на слоистом диэлектрике просты по конструкции и экономичны в изготовлении. При невозможности стопроцентной разводки печатных проводников применяются навесные перемычки. Их применяют для монтажа бытовой радиоаппаратуры, блоков питания, устройств техники связи, в простой РЭА и вспомогательной аппаратуре.

Двухсторонняя печатная плата (ДПП) - печатная плата, имеющая одно основание, на обеих сторонах которого выполнены проводящие рисунки и все необходимые соединения. Конструкция ДПП (Рис. 4):

Рис. 4 – Конструкция ДПП

где - общая суммарная толщина печатной платы

- толщина химико-гальванического покрытия

- толщина проводящего рисунка,

Остальные параметры, как и в ОПП.

Типовые параметры ДПП:

• максимальный размер заготовки - 300×250… 500×500 мм,

• d = 0,4…0,6 мм,

• t = 0,15 мм,

• S = 0,15 мм,

• h_ф = 16…36 мкм,

• H_п = 0,4…2,0 мм.

ДПП составляют в настоящее время значительную долю объема выпуска плат, например, в Великобритании до 47%, в странах постсоветского пространства 65 – 75%. Столь значительное внимание разработчиков к этому виду плат объясняется своеобразным компромиссом между их относительно малой стоимостью и достаточно высокими возможностями. ДПП являются самой распространенной разновидностью ПП в производстве модулей РЭА, используются в измерительной технике, системах управления и автоматического регулирования

Двусторонние печатные платы (ДПП) имеют проводящий рисунок на обеих сторонах диэлектрического или металлического основания и обеспечивают высокую плотность установки компонентов и трассировки. Переходы проводников из слоя в слой осуществляются через металлизированные переходные отверстия. Платы допускают как монтаж компонентов на поверхности, в том числе с двух сторон, так и монтаж компонентов с осевыми и штыревыми выводами в металлизированные отверстия. Расположение элементов печатного монтажа на металлическом основании позволяет решить проблему теплоотвода в сильноточной аппаратуре.

Многослойная печатная плата (МПП) - печатная штата из чередующихся слоев изоляционного материала с проводящими рисунками 1 на двух или более слоях, между которыми выполнены требуемые соединения.

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 микропереходы (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 микропереходы, 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, бескорпусных схем, заливаемых компаундом после разварки выводов. Конструкция МПП (Рис. 5):

Рис. 5 – Конструкция МПП

Многослойные печатные платы (МПП) состоят из чередующихся слоев изоляционного материала с проводящими рисунками на двух или более слоях, между которыми выполнены требуемые соединения, соединенных клеевыми прокладками в монолитную структуру путем прессования Рис. 6). Электрическая связь между проводящими слоями выполняется специальными объемными деталями, печатными элементами или химико-гальванической металлизацией.

Рис. 6 - Конструкция склейки МПП:

По сравнению с ОПП и ДПП МПП характеризуются повышенной надежностью и плотностью монтажа, устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям, уменьшением размеров и числа контактов. Однако большая трудоемкость изготовления, высокая точность рисунка и совмещения отдельных слоев, необходимость тщательного контроля на всех операциях, низкая ремонтопригодность, сложность технологического оборудования и высокая стоимость позволяют применять МПП только для тщательно отработанных конструкций радиоэлектронной аппаратуры.

Сторона монтажа печатной платы - это сторона печатной платы, на которой установлены навесные элементы.

Сторона пайки печатной платы - сторона печатной платы, на которой производится пайка навесных элементов.

Ширина печатного проводника - поперечный размер печатного проводника в любой его точке.

Расстояние между проводниками печатной платы (S) - это расстояние между краями соседних проводников на одном слое печатной платы.

Свободное место печатной платы - участок печатной платы, где элементы проводящего рисунка и расстояния между ними можно выполнить номинальной толщины.

Узкое место печатной платы - участок печатной платы, где элементы проводящего рисунка и расстояния между ними можно выполнить только с минимально допустимыми значениями.

Контактная площадка печатной платы - часть проводящего рисунка, используемая для соединения или отсоединения элемента РЭА.

Гарантийный поясок контактной площадки - это минимально допустимая ширина контактной площадка в узком месте.

Металлизированное отверстие печатной платы - отверстие в печатной штате с осажденным на стенке проводником.

Монтажное отверстие печатной платы - отверстия в печатной плате, используемое для соединения выводов навесных элементов с печатной платой, а также для любого подсоединения к проводящему рисунку.

Крепежное отверстие печатной платы - отверстие в печатной плате, используемое для механического крепления печатной платы на шасси иди для, а также для механического крепления элементов к печатной плате.

Гибкие печатные платы (ГПП) – это печатная плата, имеющая гибкое основание.

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 полиамидной или лавсановой пленке и поэтому могут легко деформироваться даже после формирования проводящего рисунка (Рис. 7). Большая часть конструкций гибких ПП аналогична конструкциям печатных плат на жесткой основе.

Рис. 7 – Образцы ГПП

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 (Рис. 8).

Рис. 8 – Конструкция односторонней ГПП

Односторонние ГПП с двухсторонним доступом имеют один проводящий слой, контактные площадки к которому выполнены с обеих сторон платы (Рис. 9).

Рис. 9 – Конструкция односторонней ГПП с двухсторонним доступом

Двухсторонние ГПП имеют два проводящих слоя, которые могут быть соединены сквозными металлизированными переходами (на рисунке 10 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.

Рисунок 10 – Конструкция двусторонней ГПП

Многослойные ГПП содержат не менее трех проводящих слоев, соединенных металлизированными отверстиями, которые обеспечивают межслойное соединение (Рис. 11). 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.

Рис. 11- Конструкция многослойной ГПП

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 (Рис. 12). Наиболее распространены в изделиях оборонной техники, однако расширяется их применение и в промышленной электронике.

Рис. 12 – Конструкция жестко–гибкой ГПП

ГПП с местным ужесточением (укреплением). В таких платах возможно размещение внутри гибкой основы жестких металлических деталей (Рис. 13). Получаются многоэтапным процессом фотолитографии и травления.

Рис. 13 – Конструкция ГПП с местным ужесточением

Рельефные печатные платы (РПП) - представляет собой диэлектрическое основание, в которое углублены медные проводники, выполненные в виде металлизированных канавок, и сквозные металлизированные отверстия, имеющие форму двух сходящихся конусов. Такие канавки и отверстия заполняются припоем (Рис. 14). Обычно РПП имеют два проводящих и один изоляционный слой.

Конструкция и технология изготовления РПП существенно отличаются от традиционных двухсторонних (ДПП) и многослойных (МПП) плат.

Рис. 14 – Конструкция РПП

Рельефные литые ПП имеют низкие затраты, высокую технологичность и нагревостойкость. На одной РПП расположены элементы печатного монтажа, а на другой - объемные элементы (корпуса соединителей, периферийная арматура для крепления деталей и ЭРЭ, теплоотводы и др.). В этих платах за один технологический цикл получается вся конструкция с монтажными отверстиями и специальными углублениями для расположения ЭРЭ, монтируемых на поверхность. В настоящее время технология рельефных ПП интенсивно развивается.

Как видно из рис. 15, элементы проводящего рисунка могут быть следующих видов:

• прямолинейные проводники на первом и втором слоях;

• переходные металлизированные отверстия (для электрического соединения элементов рисунка на проводящих слоях);

• сквозные монтажные металлизированные отверстия (для монтажа штыревых выводов электронных компонентов;

• металлизированные ламели (для монтажа планарных выводов электронных компонентов;

• глухие монтажные металлизированные отверстия (для монтажа планарных выводов электронных компонентов, формованных для пайки встык).

Рис. 15 – Элементы проводящего рисунка РПП

Проводники прямолинейны и параллельны осям Х и У, что связано с особенностью технологического оборудования изготовления канавок.

Характеристики рельефных плат

Диаметр переходных металлизированных отверстий на поверхности диэлектрического основания не превышает ширины проводника. При этом контактные площадки вокруг переходных отверстий отсутствуют. Это обеспечивает возможность установки переходов в шаге трассировки (в соседних дискретах трассировки) без всяких ограничений. Обычно трассировка РПП проводится в строго ортогональной системе, что означает проведение горизонтальных проводников на одном проводящем слое, а вертикальных проводников - на другом. Это обеспечивает большие трассировочные возможности, чем при других системах, но при этом появляется большое число переходов. Однако для РПП, в отличие от любых других, переходы повышают, а не понижают надежность платы.

Основным параметром конструкции РПП (Рис. 16), определяющим другие ее параметры, является минимальный шаг трассировки minH.

Рис. 16 – Основные параметры конструкции РПП

Здесь существенно использование переменного шага трассировки. Первоначально это диктовалось применяемым технологическим оборудованием, обеспечивавшим перемещение с дискретностью 10 мкм. В дальнейшем обнаружилось, что это повышает трассировочные возможности за счет симметричного прохождения трасс через большинство монтажных точек. Кроме того, переменный шаг позволяет повысить технологичность путем смещения центров переходных отверстий от краев монтажных точек.

На Рис 17 приведены варианты используемых постоянных и переменных шагов трассировки для РПП с микросхемами, имеющими следующие типы и шаги внешних выводов: штыревые - 2,5 мм, планарные - 1,25 мм и планарные - 1,0 мм.

Рис. 17 – Пример вариантов постоянных и переменных шагов трассировки РПП

В таблице 1 приведены типовые значения конструктивных параметров РПП для minH рис 17. Из таблицы видно, что особенностью РПП является их малая толщина по сравнению с ПП. Это в сочетании с насыщенностью металлом диэлектрического основания обеспечивает хорошую теплопроводность. Сечение меди в канавках обеспечивает погонное сопротивление 3-3,5 Ом/м и предельный ток по проводнику 300-400 мА. Эти параметры следует принимать во внимание при проектировании цепей питания, а так же сильноточных сигнальных цепей.

Таблица 1

Малый шаг трассировки в сочетании с переходными отверстиями в шаге трассировки обеспечивает высокие трассировочные возможности РПП.

Сравнение технологических и стоимостных характеристик рельефной и многослойной печатной платы

Трассировочная способность. Плотность размещения элементов на РПП эквивалентна 6-8 слоям МПП. Например, между выводами стандартного DIP корпуса можно проводить до 5 проводников. Высокая трассировочная способность объясняется, в частности тем, что переходные отверстия могут быть расположены в шаге проводников.

Электрические характеристики. Так как поперечное сечение проводника РПП имеет форму трапеции, то по постоянному току его сопротивление в 1,5 раза меньше, чем у плоских проводников. Характеристики по переменному току у РПП и МПП существенно не отличаются.

Механические характеристики. РПП - принципиально тонкая плата (0,8 мм). Поэтому для установки массивных элементов или для плат большого размера требуется механическая арматура. Но, с другой стороны, РПП очень устойчивы к изгибу. Для РПП не страшны прогибы до 40-50%.

Изготовление ламелей. РПП - тонкие платы, поэтому прямое изготовление ламелей для разъемов типа ISA-РС может не обеспечить достаточно надежного контакта. Для решения указанной проблемы имеется специальный технологический прием, позволяющий получить в районе ламелей удвоенную толщину (1,5 мм), чем и обеспечивается надежное соединение.

Стойкость к воздействию внешних факторов. РПП ничем не уступают по стойкости к воздействию внешних факторов традиционным платам. Более того, металлизация РПП выполняется из химически однородной меди и для РПП проблема контакта в области переходного отверстия отсутствует.

Поддержка САПР. Система изготовления РПП совместима практически с любой САПР: PCAD 4.5 .. 8.5 и др.

Серийноспособность. Изготовление РПП не предполагает какой-либо особенной подготовки производства (фотошаблоны, матрицы). Время изготовления платы средней степени сложности составляет 48 часов. Стоимость РПП заметно ниже стоимости многослойных плат для малых серий до 100 - 1000 шт. Однако при увеличении количества стоимость снижается не столь существенно как для многослойных или двусторонних плат. Поэтому изготовление партий РПП более 10000 должно быть тщательно экономически обосновано.

Стоимостные характеристики. При сравнении восьмислойной МПП с РП по средним показателям стоимости получается уменьшение:

для методы фрезерования - приблизительно в 16 раз;

для метода прессования - приблизительно в 36 раз;

для метода литья - приблизительно в 100 раз.