11. Технология печатного монтажа

11.1. Общие сведения

Операции сборки, монтажа и регулировки современной радиоаппаратуры, где электрические соединения функциональных деталей и узлов (индуктивностей, емкостей, резисторов и др.) выполнены монтажными проводами, очень трудоемки. Достаточно сказать, что общая сумма затрат на перечисленные виды работ составляет от 60 до 70% всех прямых производственных расходов на радиоприбор.

Объясняется это тем, что сборке монтажные и регулировочные работы еще слабо механизированы, причем их выполнение связано с применением высококвалифицированного ручного труда, а рабочие приемы, представляющие собой совокупность сложных и разнообразных движений и не подчиняющиеся каким-либо определенным закономерностям, невозможно воспроизвести кинематическими системами.

Отсюда следует, что конструкции радиоаппаратуры с объемным монтажом исключают выполнение сборочных, монтажных и регулировочных операций машинами-автоматами. Внедрение прогрессивной технологии, позволяющей резко увеличить выпуск радиоаппаратов, возможно лишь при условии коренного изменения конструкций, в первую очередь монтажных схем, а также отдельных деталей, узлов и радиоприборов в целом.

Это изменение конструкций должно быть рассчитано на широкое использование специализированных механизмов, полуавтоматов, автоматов и автоматических линий.

К таким принципиально новым конструкциям относятся печатные схемы, производство которых допускает широкую механизацию и автоматизацию технологических процессов.

Конструктивная особенность печатных схем заключается в том, что элементы монтажа представляют собой тонкие слои электропроводящего материала, закрепленные на поверхности плат из электроизоляционных Материалов.

Применение печатных схем не только снижает трудоемкость монтажно-сборочных и регулировочных работ и дает возможность резко увеличить выпуск радиоаппаратуры, во и позволяет сократить габаритные размеры и вес радиоаппаратуры, уменьшить количество ошибок при монтаже и число контрольных испытаний, которые необходимы при обычных методах изготовленная аппаратуры, снизить себестоимость изделий. Печатные схемы способствуют стандартизации радиоаппаратуры и ее элементов.

Переворот в производстве электронной радиоаппаратуры, выразившийся в переходе от металлических шасси с «паутиной» проводов к конструкциям, состоящим из панелей с печатными схемами, выдвигает ряд новых проблем перед инженерами-конструкторами и технологами.

Прежде чем перейти к их рассмотрению, укажем термины, употребляемые в технике печатных схем.

Печатный проводник — участок металлизированного слоя, нанесенного на изоляционное основание, эквивалентный обычному монтажному проводу.

Печатный элемент — сопротивление, емкость, индуктивность и т. п., нанесенный на изоляционное основание в виде металлического или другого покрытия.

Печатный монтаж — система печатных проводников, обеспечивающая электрическое соединение элементов схемы.

Печатная схема — совокупность печатного монтажа и печатных элементов, расположенная на изоляционном основании и прошедшая все станции изготовления.

Печатный блок, узел — совокупность печатного монтажа или печатной схемы с навесными электрорадиоэлементами, установленными и закрепленными на изоляционном основании, прошедшая все стадии изготовления.

Печатная плата — изоляционное основание с печатным монтажом или печатной схемой.

Координатная сетка — прямоугольпая сетка, состоящая из параллельных равноотстоящих линий, условно или фактически нанесенная на чертеж печатной платы для определения расположения отверстий.

Шаг координатной сетки — расстояние между двумя ближайшими параллельными линиями координатной сетки.

Узел сетки — точка пересечения двух взаимно перпендикулярных линий координатной сетки.

База сетки — узел сетки, принимаемый за точку начала отсчета, как правило, это левое нижнее монтажное отверстие печатной платы.

Заготовка — основание для печатной платы из металлизированного или неметаллизированного электроизоляционного материала, подготовленного любым способом к нанесению печатного монтажа или печатной схемы.

Плакированное основание (плакированная заготовка) — электроизоляционный материал с металлическим покрытием, нанесенным любым способом, подготовленный для нанесения изображения печатной схемы.

Фольга основания — металлическое покрытие, нанесенное любым способом на заготовку.

Толщина платы — толщина печатной платы с нанесенным печатным монтажом или печатной схемой.

Монтажная площадка — металлизированный участок, окружающий или примыкающий к монтажному отверстию, имеющий электрический контакт с печатным проводником и обеспечивающий возможность электрического соединения навесных электро- и радиоэлементов схемы с печатным монтажом.

Переходное соединение — средство, обеспечивающее электрический контакт между различными слоями или сторонами печатной платы.

Контакт соединения — средство, обеспечивающее электрический контакт между различными слоями или сторонами печатной платы.

Контакт соединителя — концы печатных проводников, выходящих на край платы таким образом, чтобы плата являлась штепсельной частью для подсоединения к краевому соединителю (разъему).

Металлизированное отверстие — отверстие в печатной плате, на стенки которого нанесен слой металла, служащее в качестве монтажного отверстия или переходного соединения.

Технологический проводник — вспомогательный печатный проводник, обеспечивающий электрическое соединение отдельных печатных проводников и процессе изготовления, впоследствии удаляется.

Перемычка (фальшдеталь) — отрезок обычного монтажного провода, соединяющий два печатных проводника между собой в тех случаях, когда они пересекаются с третьим печатным проводником.

Базовое отверстие (фиксирующее отверстие) — отверстие или углубление, расположенное на печатной плате, предназначенное для точной установки платы в процессе сборки.

Ориентирующий паз — паз на краю печатной платы, обеспечивающий определенное положение платы и процессе сборки пли установки.

Прорези – прерывание больших проводящих площадей, вызываемое электрическими, конструктивными или технологическими требованиями.

Покрытие печатной платы — процесс химического, электрохимического или любого другого способа осаждения металла, полупроводника или диэлектрика на всю или часть печатной платы.

Групповая пайка — способ одновременного электрического и механического соединения всех начесных элементов на печатной плате путем одновременного воздействия припоя па все монтажные площадки.

Маркировка — буквенные, цифровые и символические обозначения на печатной плате, нанесенные любым способом с целью указания номера навесного или печатного элемента, его расположения и т. д.

Подрезка монтажной площадки — уменьшение площадки отрезанием по хорде с целью увеличения расстояния между монтажной площадкой и токоведущими элементами схемы.

Пробельный участок — место, на котором на готовой печатной плате отсутствует металлизация.

Разрешающая способность способа печати определяется допустимым числом линий на миллиметр, причем за «линию» условно принимается минимально допустимая ширина печатного проводника или равная ей минимальная ширина зазора между проводниками.

Оригинал печатной схемы (фотооригинал) — изображение печатной схемы, выполненное в масштабе и предназначенное для репродукции.

Негатив печатной схемы — фотографическое изображение в масштабе 1:1, полученное путем фотосъемки с оригинала печатной схемы с заданной степенью точности и предназначенное либо для непосредственного

изготовления печатной платы, либо для изготовления технологической оснастки.

Сличение — процесс, обеспечивающий проверку соответствия печатного рисунка координатной сетке.

Прочность на отрыв — сила, перпендикулярная плоскости печатной платы, необходимая для отделения монтажной площадки или печатного проводника от основания; измеряется в кг/см*.

Изгиб (коробление) — вид искажения формы прямоугольной плоскопараллельной платы с цилиндрическим или сферическим искривлением ее, при котором все четыре угла платы находятся в одной плоскости.

Скручивание — вид искажения формы прямоугольной плоскопараллельной платы, при котором три угла плати находятся в одной плоскости, а четвертый угол смещен относительно нее.

Подтравливание — уменьшение поперечного сечения печатного проводника к основанию.

Наплыв — увеличение ширины печатного проводника по сравнению с заданной, вызываемое нанесением металлического покрытия.

Отклонение — величина искажения краев изображения печатной схемы от заданного чертежом.

Смещение — отклонение одного или более печатных проводников или их части от заданного расположения; отклонение относительно друг друга двусторонней печатной схемы или отклонение слоев печатной схемы относительно друг друга при двух или более слоях.

Многослойная печатная плата (МПП) — несколько склеенных печатных слоев, где системы печатных проводников имеют электрическое соединение по слоям.

Многослойный печатный узел — многослойная печатная плата с навесными элементами, которые имеют электрический контакт с многослойной печатной платой.

Лицевая сторона МПП — внешняя поверхность платы, на которой нанесена маркировка платы и со номер.

Переходное от верст и о — металлизированное отверстие, предназначенное для соединения печатного монтажа различных слоев в единую схему.

Слой пайки — сторона платы, обратная лицевой стороне, на которой производится распайка выводов навесных элементов.

Технологическое отверстие — отверстие в многослойной печатной плате, а также в отдельном печатном слое, предназначенное для обеспечения конструктивно-технологических требований в процессе изготовления многослойной платы.

Базовое отверстие — отверстие в многослойной плате или в отдельном печатном слое, относительно которого координируются все элементы печатных схем. За базовое отверстие рекомендуется принимать одно из технологических отверстий.

Навесные элементы — микромодули различных конструкций, электро- и радиоэлементы, устанавливаемые на печатной плате.

Особенности печатного монтажа. Печатный монтаж обладает рядом существенных особенностей, позволяющих успешно решать задачу механизации производства, но одновременно предъявляющих определенные требования к конструкции.

К таким особенностям относятся:

а) плоскостное расположение печатных проводников на плате, что не позволяет осуществлять переход с одной ленты на другую без перемычек, переходных колодок или разъемов;

б) использование при изготовлении печатных плат одинаковых или однородных приспособлений;

в) введение в конструкцию необходимой для механизации производства системы расположения отверстий в печатной плате— координатной сетки;

г) установка навесных элементов и крепление их выводов толь ко путем пропускания их в отверстия;

д) одновременная запайка выводов всех установленных на пе чатной плате элементов;

е) определенная последовательность сборочно-монтажных ра бот, размещение навесных радиоэлементов на плате и предвари тельное механическое закрепление их, запайка выводов навесных элементов, установка прочих деталей с механическим креплением (стоек, резьбовых втулок и т. д.).

Кроме указанных особенностей, необходимо знать основные нормы и требования к конструированию печатных плат и методы их изготовления.

Электрические и физико-механические свойства печатных проводников и предъявляемые к ним требования. Печатные проводники характеризуются в основном двумя параметрами: электрическим сопротивлением и прочностью сцепления проводника с основанием.

Плоские проводники выдерживают высокую токовую нагрузку. Благодаря пластинчатой форме токопроводящих линий достигается значительно лучшее отношение поверхности к сечению, чем у круглой проволоки. Вследствие увеличения теплоизлучающей поверхности — при условии одинаковой температуры фольги и проволоки — в фольге могут протекать большие токи, или же при условии одинаковой силы тока размеры фольгированногопроводника могут быть уменьшены но сравнению с проволочным проводником. Отсюда очевидна экономия материала, места, веса и затрат.

Усредненные значения омического сопротивления печатных проводников шириной 1,5 мм и толщиной 50 мп в различных климатических условиях приведены в табл. 11.1.

Из таблицы видно, что проводники, полученные электролитическим осаждением металла, имеют величину сопротивления в 3 раза больше, чем проводники из фольги. Сопротивление проводников, защищенных лаком, но изменяется после пребывания в течение 30 суток в условиях 95—98% влажности.

Ввиду сильно развитой поверхности, обеспечивающей хороший теплообмен между проводником и диэлектрическим основанием, а также окружающей средой, печатные проводники допускают значительно большие удельные плотности тока по сравнению с проволочными. Токи сгорания проводников приведены в табл. 11.2.

Таблица 11.1

Сопротивление печатных проводников в различных климатических условиях

Условия испытаний	Электрическое сопротивление, ом/м
	Электролитическая медь	Электролитическая листовая фольга
Нормальные условия (после покрытия лаком)…………………………………… Температура +40° С при относительной влажности 96-98% в течение 48 ч... Температура -60° С в течение 2 ч…….. Температура +32° С при относительной влажности 95-98% в течении 30 суток (после выдержки в нормальных условиях в течение 24 ч)………....…… Температура +50° С в течение 10 ч…... Температура +100° С в течение 2 ч…...	1,016 1,099 0,662 1,016 1,15 1,27	0,306 0,326 0,196 0,306 0,341 0,385

При всех методах получения печатного монтажа в целях упрощения расчетов плотность тока для печатного проводника рекомендуется 20 а/мм ². Прочность сцепления печатного проводника не менее 25—30 кг /см ².

Благодаря малой массе и развитой поверх мости печатного проводника, полученного любым методом, сила сцепления его с основанием оказывается достаточной, чтобы выдержать воздействующие на проводник знакопеременные механические перегрузки до 40 g в диапазоне частот от 4 до 200 гц.

Таблица 11.2

Ток мгновенного сгорания печатных проводников

Проводник	Сечение, мм2	Сопротивление, Ом/м	Ток мгновенного сгорания, а
Объемный медный…....... Печатный из электролитической медной фольги.. Печатный из меди, электролитически осажденной на плату………..……	0,07 0,075 0,075	0,25 0,3 1	15 60 25

Вследствие небольшой толщины печатные проводники имеют незначительный поверхностный эффект. Емкость между провод Пиками также мала и постоянна для всех изделий одного типа. Применение заземленной проволоки значительно снижает ее.

Механические свойства печатных проводников достаточно высоки.

При нагревании схемы не возникает осложнений вследствие различных коэффициентов линейного расширения изоляционного основания и проводника или при нанесении токопроводящих линий на гибкую подложку (складные схемы). Отсутствуют пористость и инородные включения, благодаря чему исключается опасность обрывов при изготовлении очень узких проводников.

Печатные проводники хорошо соединяются с навесными элементами схемы пайкой и сваркой.

Наличие больших фольгированных участков позволяет предохранить изоляционную плату от воздействия влаги, защищает основание от местных перегревов (хорошее распределение и отвод тепла), оказывает экранирующее действие при заземлении участков фольги, не используемых в качестве токопроводящих элементов.

Независимо от способа нанесения к печатным проводникам предъявляются следующие требования:

а) слой металла должен обладать удельной проводимостью, близкой по величине к удельной проводимости медных проводов;

б) площадь поперечного сечения и площадь поверхности печатных проводников должны соответствовать заданным по условиям работы схемы плотности токов и рабочим частотам, а также допустимому падению напряжения на отдельных участках. Минимальная ширина проводников определяется технологическими возможностями изготовления и прочностью их сцепления с основанием;

в) сила сцепления печатного проводника с поверхностью основания не должна изменяться при температурах от —60 до +260° С (максимальная температура нагрева при механизированной пайке' печатного монтажа).

Сила сцепления проводников схемы с основанием при различных методах изготовления печатных плат приведена в табл. 14-3.

Таблица 11.3

Прочность сцепления печатных проводников с основанием

Метод изготовления печатных плат	Усилие при отрыве, кГ/см2
Химический Электрохимический Комбинированный (позитивный, негативный)	20 10 15

Проверка на прочность сцепления печатных проводников с основанием производится на разрывной машине.

Для проверки усилия на отрыв к печатному проводнику припаивают наконечник из латуни, равный ширине проводника или меньше на 0,2 мм. Пайку производят низкотемпературными припоями с температурой 60—80° С. Наконечник должен быть строго перпендикулярным к основанию платы.

Печатные проводники надрезаются на расстоянии 5—6 мм от наконечника и отгибаются в сторону наконечника. Расчет прочности сцепления производить по формуле

, кГ/см²

где Р — усилие при отрыве, кГ;

F — площадь припаянной поверхности.

Материалы для печатных плат. В зависимости от варианта технологического процесса изготовления печатного монтажа применяется либо обычный диэлектрик, на который затем наносят металлизированную схему, либо диэлектрик, покрытый сплошным слоем металла («фольгированный» диэлектрик), с которого затем стравливают лишний металл.

В обоих случаях предъявляемые к диэлектрику требования заключаются в следующем. Материал должен иметь:

а) минимальную диэлектрическую проницаемости, чтобы не создавать значительных паразитных емкостей между печатными проводниками; диэлектрическая проницаемость должна быть не более 6;

б) малый тангенс угла диэлектрических потерь в рабочем диапазоне частот, что особенно важно для высокоомных цепей; тангенс угла потерь должен быть не более 0,07 на частоте 1 Мгц;

в) удельное поверхностное и объемное сопротивление изоляции не менее 10⁸ ом и 10⁹ ом -см;

г) электрическую прочность не менее 15 кв/мм;

д) достаточную нагревостойкость, чтобы допускать пайку погружением при температуре 240—260° С в течение 10—15 сек;

е) стабильные электрические параметры в интервале рабочих температур от —60 до +120° С. При температуре 32 -±. 2° С и относительной влажности 95—98% стабильные электрические пара метры должны сохраняться в течение 30 суток;

ж) стабильные электрические, физико-химические и механические свойства в процессе технологической обработки;

з) достаточную механическую прочность и хорошую обрабатываемость сверлением, штамповкой, фрезерованием;

и) однородную по цвету и без посторонних включений поверхность.

Чаще всего для изготовления печатных плат применяют электротехнический гетинакс марки ЭВ СТУ 36-14-04-62. Этот материал нельзя считать высококачественным по электрическим свойствам,

но он легко обрабатывается, дешев и обеспечивает нормальную работу схем на частотах до 30 Мгц и даже выше (импульсные усилители промежуточной частоты).

Толщину гетинаксовых печатных плат рекомендуется брать не более 2 мм, что позволяет обрабатывать их посредством штамповки. Гетинакс толщиной 3 и 4 мм применяется при значительных механических нагрузках обычно для плат площадью более 400 см².

Кроме того, применяются фольгированные гетинакс и стеклотекстолит марок: ГФ-1, ГФ-1-П, ГФ-2-П, ГФ-1-Н, ГФ-2-Н, СФ-1, СФ-2, МРТУ 16-509-001-64; ГОСТ 10316-62.

Низкочастотные фольгированные диэлектрики НФД-1801 и и НФД-180-2 (одно- и двусторонний) выпускаются толщиной 0,8—3 мм, обладают повышенной термостойкостью и рекомендуются для работы при температуре от —60 до +180° С.

Фольгированный диэлектрик гальваностойкий (ФДГ) применя ется при изготовлении плат, где медные проводники покрываются другими металлами: родием, палладием, серебром, предназначен для работы в интервале температур —60 (-150° С.

Фольгированный диэлектрик (НФДФ-8) (низкочастотный) рекомендуется для изготовления печатных плат, имеющих сложную конфигурацию, работающих в интервале температур -60 - +70° С.

Применение термопластичного наполнителя (капрона) дает возможность формовать диэлектрик в нужную конфигурацию при температуре +80° С. Можно использовать также другие электроизоляционные материалы (керамику, стекло, пресспорошок и т. д.).

Применение порошковых пластмасс для печатных плат ограничивается рядом трудностей, основная из них заключается в необходимости изготовления СЛОЖНЫХ пресс-форм, которые приходится заменять при каждом изменении конструкции платы. Полистирол неприменим при пайке погружением из-за малой теплостойкости, но является хорошим материалом для печатных схем, работающих на сверхвысоких частотах. Наиболее перспективным является применение для печатных плат фторопласта-4 (тефлона), но применение его ограничено сложностью прочной склейки тефлона с металлом. Освоение выпуска фольгированного тефлона может устранить этот недостаток.