9.Конструирование радиоэлектронные устройств

9.1 Изготовление печатных плат

Самый далекий предшественник печатных плат — обычный провод, чаще всего изолированный. У него был существенный недостаток. В условиях высоких вибраций он требовал применения дополнительных механических элементов для его фиксации внутри РЭА. Для этого применялись носители, на которые устанавливались радиоэлементы, сами радиоэлементы и конструктивные элементы для промежуточных соединений, фиксации проводов. Это объемный монтаж.

Печатные платы свободны от этих недостатков. Их проводники закреплены на поверхности, их положение фиксировано, что позволяет просчитывать их взаимные связи. В принципе печатные платы, сейчас приближаются, к плоским конструкциям.

На начальном этапе применения, печатные платы имели одностороннее или двухстороннее расположение проводящих дорожек.

Односторонняя печатная плата — это пластина, на одной стороне которой размещены проводники, выполненные печатным способом. В двухсторонних печатных платах проводники заняли и пустующую изнаночную сторону пластины. А для их соединения были предложены разнообразные варианты, среди которых наибольшее распространение получили переходные металлизированные отверстия. Фрагменты конструкции самых простых односторонних и двухсторонних печатных плат приведены на рисунке 9.1.

Двухсторонняя печатная плата - их использование вместо односторонних было первым шагом на пути перехода от плоскости к объему. Если абстрагироваться (мысленно отбросить подложку двухсторонней печатной платы), то получится объемная конструкция проводников. Кстати, этот шаг был сделан довольно быстро. В заявке Альберта Хансона уже указывалось на возможность размещения проводников по обеим сторонам подложки и соединения их с помощью сквозных отверстий.

Рисунок 9.1 - Фрагменты конструкции печатных плат а) односторонней и б) двухсторонней: 1 — монтажное отверстие,2 — контактная площадка, 3 — проводник,4 — диэлектрическая подложка, 5 — переходное металлизированное отверстие

Дальнейшее развитие электроники - микроэлектроники привело к применению многовыводных компонентов (чипы могут иметь более 200 выводов), росло количество электронных компонентов. В свою очередь применение цифровых микросхем и рост их быстродействия привели к росту требований по их экранированию и распределению питания к компонентам, для чего в мнослойные платы цифровых устройств (например - компьютеров) были включены специальные экранирующие токопроводящие слои. Все это привело к росту межсоединений и их усложнению, которое выразилось в росте количества слоев. В современных печатных платах оно может быть много больше десяти. В некотором смысле многослойная печатная плата приобрела объем.

Конструкция многослойных печатных плат

Рассмотрим типовую конструкцию многослойной платы.

В первом, наиболее распространенном, варианте внутренние слои платы формируются из двустороннего ламинированного медью стеклотекстолита, который называют «ядро». Наружные слои выполняются из медной фольги, спрессованной с внутренними слоями при помощи связующего — смолистого материала, называемого «препрег». После прессования при высокой температуре образуется «пирог» многослойной печатной платы, в котором далее сверлятся и металлизируются отверстия.

Менее распространен второй вариант, когда внешние слои формируются из «ядер», скрепляемых препрегом. Это упрощенное описание, на основе данных вариантов существует множество других конструкций. Однако основной принцип состоит в том, что в качестве связующего материала между слоями выступает препрег. Очевидно, что не может быть ситуации, когда соседствуют два двусторонних «ядра» без прокладки из препрега, но структура фольга–препрег–фольга– препрег… и т. д. возможна, и часто используется в платах со сложными сочетаниями глухих и скрытых отверстий.

Препреги (англ. pre-preg, сокр. от pre - impregnated — предварительно пропитанный) — это композиционные материалы-полуфабрикаты. Готовый для переработки продукт предварительной пропитки частично отвержденным связующим упрочняющих материалов тканой или нетканой структуры. Их получают путем пропитки армирующей волокнистой основы равномерно распределенными полимерными связующими. Пропитка осуществляется таким образом, чтобы максимально реализовать физико-химические свойства армирующего материала. Препреговая технология позволяет получить монолитные изделия сложной формы при минимальной инструментальной обработке.

Препреги производят в форме полотна, покрытого с обеих сторон полиэтиленовой пленкой и свернутого в рулон.

Многослойные печатные платы сейчас составляют две трети мирового производства печатных плат в ценовом исчислении, хотя в количественном выражении уступают одно и двухсторонним платам.

Схематически (упрощенно) фрагмент конструкции современной многослойной печатной платы приведен на рисунке 9.2. Проводники в таких печатных платах размещаются не только на поверхности, но и в объеме подложки. При этом сохранилась слойность расположения проводников относительно друг друга (следствие использования планарных полиграфических технологий). Слойность неизбежно присутствует в названиях печатных плат и их элементов — односторонняя, двухсторонняя, многослойная и др. Слойность реально отражает конструктив и соответствующие этому конструктиву технологии изготовления печатных плат.

Рисунок 9.2 - Фрагмент конструкции многослойной печатной платы:1 — сквозное металлизированное отверстие, 2 — глухой микропереход, 3 — скрытый микропереход, 4 — слои,5 — скрытые межслойные отверстия, 6 — контактные площадки

Реально конструкция многослойных печатных плат отличается от показанных на рисунке 9.2.

По своей структуре МПП значительно сложнее двухсторонних плат, как много сложнее и технология их производства. Да и сама их структура существенно отличается от показанной на рисунке 9.2. Они включают дополнительные экранные слои (земля и питание), а также несколько сигнальных слоев.

Реально они выглядят так:

a) Схематически

б) для наглядности в 3D виде

Рисунок 9.3 - Показана примерная структура расположения слоев многослойной печатной платы с указанием их толщин.

Для обеспечения коммутации между слоями МПП применяются межслойные переходы (vias) и микропереходы (microvias) рисунок 9.3.а. 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 многослойных печатных плат производится соединение нескольких ламинированных фольгой диэлектриков между собой, для чего используются склеивающие прокладки - препреги.

На рисунке 9.3.в препрег показан белым цветом. Препрег склеивает слои многослойной печатной платы при термическом прессовании.

Общая толщина многослойных печатных плат растет непропорционально быстро с ростом числа сигнальных слоев. В связи с этим необходимо учитывать большое соотношение толщины платы к диаметру сквозных отверстий, что является весьма жестким параметром для процесса сквозной металлизации отверстий. Тем не менее, даже учитывая трудности с металлизацией сквозных отверстий малого диаметра, изготовители многослойных печатных плат предпочитают достигать высокой плотности монтажа за счет большего числа относительно дешевых слоев, нежели меньшим числом высокоплотных но, соответственно, более дорогих слоев.

Владимир Уразаев [Л.12] считает, что развитие конструкций и технологий в микроэлектронике идет в соответствии с объективно существующим законом развития технических систем: задачи, связанные с размещением или перемещением объектов, решаются переходом от точки к линии, от линии к плоскости, от плоскости к трехмерному пространству.

Печатным платам придется подчиниться этому закону. Потенциальная возможность реализации таких многоуровневых (бесконечно уровневых) печатных плат имеется. Об этом свидетельствуют богатый опыт использования в производстве печатных плат лазерных технологий, не менее богатый опыт применения лазерной стереолитографии для формирования трехмерных объектов из полимеров, тенденция к увеличению термостойкости базовых материалов и т. д. Очевидно, такие изделия придется и назвать как-то иначе. Поскольку термин «печатная плата» уже не будет отражать ни их внутреннего содержания, ни технологии изготовления.

Гибкие печатные платы

Для большинства людей печатная плата — это просто жесткая пластинка с электропроводящими межсоединеними.

Жесткие печатные платы — самый массовый продукт, используемый в радиоэлектронике, о котором знают практически все.

Но существуют еще и гибкие печатные платы, которые все больше расширяют круг своего применения. Пример — так называемые гибкие печатные кабели (шлейфы). Подобные печатные платы выполняют ограниченный объем функций (исключается функция подложки для радиоэлементов). Они служат для объединения обычных печатных плат, заменяя жгуты. Гибкие печатные платы приобретают эластичность благодаря тому, что их полимерная «подложка» находится в высокоэластическом состоянии. Гибкие печатные платы имеют две степени свободы. Их можно свернуть даже в ленту Мебиуса.

Рисунок 9.4 – Гибкая печатная плата

Одну или даже две степени свободы, но очень ограниченной свободы, можно придать и обычным жестким печатным платам, в которых полимерная матрица подложки находится в жестком — стеклообразном состоянии. Это достигается путем уменьшения толщины подложки. Одним из преимуществ рельефных печатных плат, изготавливаемых из тонких диэлектриков, называют возможность придания им «округлости». Тем самым появляется возможность согласовать их форму и форму объектов (ракет, космических объектов и др.), в которые их можно поместить. Результат — существенная экономия внутреннего объема изделий.

Их существенный недостаток в том, что с ростом количества слоев снижается гибкость таких печатных плат. А применение обычных негибких комплектующих возникает необходимость фиксировать их форму. Поскольку изгибы таких печатных плат с негибкими компонентами приводят к высоким механическим нагрузкам в точках их соединения с гибкой печатной платой.

Промежуточное положение между жесткими и гибкими печатными платами занимают «древние» печатные платы, состоящие из жестких элементов, складываемых подобно гармошке. Такие «гармошки», вероятно, и навели на мысль о создании многослойных печатных плат. Современные гибко-жесткие печатные платы реализованы иным способом. Речь идет преимущественно о многослойных печатных платах. В них можно совместить жесткие и гибкие слои. Если гибкие слои вывести за пределы жестких, можно получить печатную плату, состоящую из жесткого и гибкого фрагментов. Другой вариант — соединение двух жестких фрагментов гибким.

Классификация конструкций печатных плат, основанная на слойности их проводящего рисунка, охватывает большую часть конструкций печатных плат, но не всех. Например, для изготовления тканых монтажных плат или шлейфов оказалось пригодным не печатное полиграфическое, а ткацкое оборудование. Такие «печатные платы» уже имеют три степени свободы. Так же, как и обычная ткань, они могут принимать самые причудливые очертания и формы.

Печатные платы на основании с высокой теплопроводностью

В последнее время, наблюдается рост тепловыделения электронных устройств, что связано с:

- ростом производительности вычислительных систем,

- потребности коммутации больших мощностей,

- расширяющегося применения электронных компонентов с повышенным тепловыделением.

Последнее наиболее наглядно проявляется в светодиодной светотехнике, где резко вырос интерес к созданию источников света на основе мощных ультраярких светодиодов. Световая эффективность полупроводниковых светодиодов достигла уже 100лм/Вт. Такие ультраяркие светодиоды приходят на смену обычным лампам накаливания и находят свое применение практически во всех областях светотехники: лампы уличного освещения, автомобильная светотехника, дежурное освещение, рекламные вывески, светодиодные панели, индикаторы, бегущие строки, светофоры и т.д. Эти светодиоды стали незаменимы в декоративном освещении, в светодинамических системах благодаря их монохромному цвету и скорости включения. Выгодно их применять и там, где необходимо жестко экономить электроэнергию, где дорого обходится частое обслуживание и где высоки требования по электробезопасности.

Проведенные исследований показывают, что примерно 65-85% электроэнергии при работе светодиода преобразуется в тепло. Однако, при условии соблюдения рекомендованных производителем светодиодов тепловых режимов, срок службы светодиода может достигать 10 лет. Но, если нарушить тепловой режим (обычно это работа с температурой перехода более 120...125°С), срок службы светодиода может упасть в 10 раз! А при грубом несоблюдении рекомендованных тепловых режимов, например, при включении светодиодов типа emitter без радиатора в течение более 5-7 сек, светодиод может выйти из строя уже во время первого включения. Повышение температуры перехода, кроме того, приводит к снижению яркости свечения и смещению рабочей длины волны. Поэтому очень важно правильно рассчитать тепловой режим и, по возможности, максимально рассеять выделяемое светодиодом тепло.

Крупные производители мощных светодиодов, такие как Cree, Osram, Nichia, Luxeon, Seoul Semiconductor, Edison Opto и т.п., уже давно, для упрощения включения и расширения областей применения светодиодов, изготавливают их в виде светодиодных модулей или кластеров на печатных платах с металлическим основанием (в международной классификации IMPCB – Insulated Metal Printed Circuit Board, или AL PCB – печатные платы на алюминиевом основании).

Рисунок 9.5 – Печатная плата на металлическом основании

Эти печатные платы на алюминиевом основании имеют малое и фиксированное тепловое сопротивление, что позволяет при их установке на радиатор достаточно просто обеспечить теплоотведение от p-n перехода светодиода и обеспечить его работу в течении всего срока эксплуатации.

В качестве материалов с высокой теплопроводностью для оснований таких печатных плат применяют Медь, Алюминий, различные виды керамики.