4.4.1.5. Многослойные гпп
Многослойные ГПП имеют три и более проводящих слоев с элементами печатного монтажа, соединенных металлизированными отверстиями (межслойными переходами) для обеспечения электрической связи между слоями.
При конструировании многослойных ГПП используются:
односторонние и двусторонние слои с элементами печатного монтажа, выполненные на гибком фольгированном или нефольгированном материале;
соединительные пленки с адгезивом (препрег), защищенные удаляемой пленкой, для склеивания слоев в многослойную структуру;
покрывная полиимидная пленка с адгезивом для защиты поверхности МПП.
Основные характеристики МПП на полиимиде приведены в табл. 4.42.
Многослойные ГПП на полиимиде получают из ДПП и ОПП на полиимиде, которые устанавливают на жесткое основание с контактными площадками [12]. При этом каждую ДПП изолируют друг от друга перфорированными прокладками из полиимида, и весь пакет из собранных ДПП припаивают к контактным площадкам основания через сквозные переход-
Таблица 4.42. Основные характеристики МПП на полиимиде . ' с*‘
Параметр |
Характеристика г ь'А |
Область применения, |
Спецтехника |
Минимальная ширина проводников и расстояний-между ними, мкм |
О ' • tv . о |
Минимальный диаметр переходных' отверстий, мкм |
50. .60 |
Рекомендуемые максимальные размеры МПП, мм |
150x250 . |
Максимальное число слоев |
12...20 |
| Удельная паразитная емкость, пф/см |
0,3 |
ные металлизированные отверстия ДПП для получения электрической связи между слоями и основанием (рис. 4.48). 1
5 4
Рис.
4.48. Структура
МПП на полиимиде в разрезе: 1
—
полиимидные прокладки; 2
—
спай;
3
—
ДПП на полиимиде; 4
—
контактные площадки; 5 — основание
Для обеспечения хорошего теплоотвода в качестве жесткого основания применяют металлические пластины с изоляционным слоем:
анодированный алюминий или сплавы алюминия с магнием;
алюминий с эпоксидной смолой;
сталь с эпоксидной смолой, эмалью или легкоплавким стеклом;
ковар с диэлектрическим покрытием и др. '
При выборе жесткого основания основными требованиями является: согласование металла и диэлектрика по TKJIP; хорошая адгезия диэлектрика к металлу; высокое качество диэлектрического покрытия на металле.
Наиболее широкое применение получили основания из алюминия.
Гибко-жесткие платы
Конструкция ГЖП (см. гл. 1) состоит из жестких и гибких участков единой ПП, и может быть основана на жестких ДПП или МПП. Гибкие части могут содержать несколько односторонних или двусторонних ГПП. В отличие от обычных ПП проводники на гибких участках должны быть покрыты материалом, допускающим изгиб и деформацию. Наиболее часто гибкий участок ГЖП защищают ламинированием полиимидной пленки, которая обеспечивает защиту от внешних механических' и климатических воздействий, электрическую изоляцию и герметизацию проводников. Для защиты гибких участков применяют также гибкие жидкие маски, которые наносят способом трафаретной печати или поливом. Соединение гибких и жестких слоев производят, используя склеивающие прокладки (препрег), прессованием. Межслойные соединения осуществляют при помощи глухих, скрытых или сквозных металлизированных отверстий. Для монтажа ЭРИ и ПМК используют жесткие части ГЖП.
В качестве основания может применяться дорогостоящая полиимвдная пленка; стеклоэпоксид толщиной менее 100 мкм, обладающий меньшей гибкостью, но и меньшей стоимостью по сравнению с полиимидом; препрег на основе модифицированного эпоксида. Некоторые рекомендации по выбору материалов ГЖП приведены в гл. 2.
Гибко-жесткие платы можно применять при реализации уникальных и сложных, требующих повышенной надежности технических решений (безотказно работать в жестких условиях окружающей среды), размещаться в плотный трехмерный корпус, например, фотоаппарата. Недостатком ГЖП является их высокая себестоимость, сложность производства из-за использования разнородных материалов с разными ТКЛР, размерной стабильностью и пр.
В табл. 4.43 приведены основные характеристики ГЖП.
Таблица
4.43.
Основные характеристики ГЖП на
фольгированном основании
Показатели
Характеристика
Элементная
база
Традиционная
и ПМК
Область
применения
Спецтехника,
вычислительная техника, средства
связи, промышленная электроника
Класс
точности
5
Группа
жесткости
ГУ
Рекомендуемые
максимальные размеры жесткого
участка, мм
550
х 450 (число слоев 10—12)
Материал
основания
Жесткие
слои — стеклотекстолит фольгированный,
(Аф
= 5...35 мкм).
Гибкие
слои — полиимид фольгированный, (Аф
= 35 мкм). Покрывная пленка — полиимвдная
с адгезионным слоем. Стеклоткань с
полиимидным;связующим
для склеивания гибкой и жесткой
частей.
Стеклоткань
прокладочная для жесткой части
Минимальный
диаметр отверстия, мм
0,3
(металлизированное)
Минимальная
ширина Проводника, мм
0.1
Тип
производства
Мелкосерийное
На
рис. 4.49 приведена структурная схема
ТП изготовления ГЖП.
Рис.
4.49. Структурная
схема ТП изготовления ГЖП
Жесткие слои изготавливают комбинированным позитивным или химическим негативным методами, гибкие слои — химическим негативным с напрессовыванием на поверхность защитной покрывной полиимидной пленки с адгезионным слоем. После прессования гибких и жестких слоев изготовление рисунка наружных слоев и металлизированных отверстий на жестких участках ГЖП производят комбинированным позитивным или электрохимическим методом (SMOBS-процесс).
Достоинства ГЖП:
высокая надежность вследствие защиты проводников гибкого участка покрывной пленкой;
отсутствие соединителей, объемных проводников и как следствие — снижение массы, электрических помех, отсутствие переходного сопротивления, так как жесткие участки МПП и гибкие (ГПК) находятся в одном монолите;
возможность использования гибкого участка в качестве ГПК, продлив его в любую сторону.
Гибкие печатные кабели
Конструктивные особенности ГПК
Конструктивно ГПК представляют собой многослойную структуру, состоящую:
из лент стоковедущими жилами (печатными проводниками), расположенными параллельно на диэлектрическом основании с одной или двух сторон. Конструкция окончания лент может быть выполнена в
виде планарных выводов или контактных площадок с металлизированными отверстиями (см. рис. 3.11), к контактным площадкам в виде планарных выводов подпаивают выводы-гребенки;
покрывной защитной пленки;
изоляционных слоев.
Конструкции лент ГПК. Лента ГПК может быть выполнена с однорядным, двухрядным и трехрядным расположением печатных проводников в поперечном сечении.
Однорядная конструкция ленты ГПК может состоять, например, из полиимида фольгированного одностороннего ПФ-1 и пленки полиимидной покрывной ППП-0,070 (рис. 4.50).
Двухрядная конструкция ленты ГПК может быть выполнена с различными толщинами изоляционных слоев между проводниками (рис. 4.51 и 4.52).
w, s2 щ 53 Щ К s„+l
Рис. 4.50. Поперечное
сечение однорядной конструкции ленты
ГПК: W
— ширина жилы; S
— расстояние
между жилами; 1
— пленка полиимвдная покрывная ППП —
0,070, ht
=
0,070 мм; 2
— полиимид фольгированный односторонний
ПФ-1, § = 0,035 мм — толщина медной фольги,
hi
= 0,065 мм — толщина полиимида без медной
фольги
S,
W, S2
W2
Si fV3 Wn. S„+i
Рис. 4.51. Поперечное
сечение двухрядной конструкции ГПК:
а
— с использованием одностороннего
фольгированного полиимида; б
—
с использованием двустороннего
фольгированного полиимида; W—
ширина жилы; S
— расстояние между жилами; / — пленка
полиимидная покрывная ППП-0,070;
(й|=0,07 мм); 2—
полиимид фольгированный односторонний
ПФ-1, 8
= 0,035 мм — толщина медной фольги, *2
= 0,065 мм — толщина полиимида; 3
— пленка ПКС-171, Аз = 0,08 мм — толщина
адгезионной (клеевой) пленки; 4
— полиимид фольгированный двусторонний
ПФ-2, 5 = 0,035 мм — толщина медной фольги,
1ц
= 0,09 мм — толщина
полиимида
s,
W\ щ s3
>л+1
Рис. 4.52. Поперечное
сечение двухрядной конструкции ленты
ГПК: W—
ширина жилы; S
— расстояние
между жилами; 1
— пленка полиимидная покрывная
ППП-0,070 (А| = 0,07 мм); 2
—
полиимид фольгированный односторонний
ПФ-1, 8
= 0,035 мм •— толщина медной фольги,
hi
=
0,065 мм — толщина прлиимида; 3
— пленка полиимидная клеевая ПКС-171
(Аз = 0,08 мм)
Конструкция ГПК, представленная на рис. 4.51, а, выполнена из двух слоев одностороннего фольгированного полиимида ПФ-1 и одного слоя изоляционной клеевой5 Пленки ПКС-171.
Конструкция ГПК, приведенная на рис. 4.51, б, выполнена из двустороннего фольгированнбго полиимида ПФ-2 и Двух слоев {верхний и нижний) покрывной полиимидной пленки ППП-0,070.
Конструкция ГПК, изображенная на рис. 4.52, выполнена из двух слоев ПФ-1, двух слоев покрывной полиимидной пленки ППП-0,070 (верхний, нижний) и одного слоя изоляционной клеевой пленки ПКС-171 (средний).
Пример выполненйя конструкции ГПК с трехрядным расположением проводников представлен на рис. 4.53.
■У,
fVj
S2
Щ
.Si ' W3 Wn Л+1
'■i
Рис. 4.53. Поперечное
сечение трехрядной конструкции денть!
ГПК;* W
—
ширина жилы; S
— расстояние между жилами; У — гшенка
полиимидная покрывная ППП-0,070 (И\
=0,07 мм); 2—
полиимид фольгированный односторонний
ПФ-1, 8
= 0,б35 мм — толщина медной фольги, *2
= 0,065 мм — толщйна полиимида; 3
—
пленка полиимЙдная клеевая ПКС-171 (A3
= 0,08 мм); 4
—
полиимид фольгированный двусторонний
ПФь2+.б = 0,035 мм — толщина медной фольги,
А4
= 0,09 мм — толщина полиимида
В двухрядной и трехрядной конструкции ленты ГПК один или два слоя проводников могут быть'выполнены в виде экрана. Экранирование жил ГПК выполняется за счет двустороннего й одностороннего фольгированного полиимида с рисунком экрана, который исключает образование вихревых токов. Пример выполнения рисунка экрана представлен на рис. 4.54 (размеры даны в мм).
Рис. 4.54. Пример выполнения экрана: 1 — контур ГПК-(медная фольга); 2 ■*- сетка экрана (медная фольга); 3 — изоляционное основание» (полиимид)
Конструкции окончания ГПК. Для обеспечения соединения ГПК с ЭРИ необходимо обеспечить соответствующую конструкцию окончания ГПК, которую выбирают в зависимости от типа контактного вывода ЭРИ. Если ГПК соединяют со штыревыми выводами ЭРИ, точна конце ГПК должны быть металлизированные отверстия, которые надевают на штыревые выводы ЭРИ в соответствии с маркировкой на ГПК и ЭРИ.
При соединении ГПК с планарными выводами ЭРИ на конце ГПК должны быть контактные площадки, на которые внахлест устанавливают и припаивают планарные выводы.
При соединении ГПК с элементами и блоками ЭА используют стандартные миниатюрные соединители, причем число параллельных проводников ГПК, их ширина и межцентровые расстояния йоляя^ы быть согласованы со стандартными соединителями. Гибкии печатный кабель при этом является законченным элементом конструкции устройства.
При соединении ГПК с монтажными проводами, провод также паяют внахлест к контактным площадкам на конце ГПК. ~
Если ГПК соединяют с электрическими соединителями и ГПК заканчивается плоскими коНтактами-гребенками, контакты каждого ответвления ГПК предназначены для одного ряда электрического соединителя; их устанавливают одновременно в отверстия целого ряда соединителя в соответствии с электромонтажным чертежом и распаивают;
Если ГПК соединяют с электрическими соединителями и ленты ГПК заканчиваются планарными выводами, то после лужения соединителя и планарных выводов* ответвление ГПК заводится между двумя рядами соединителя так, чтобы выводы ГПК совпадали с выводами электрического соединителя в соответствии с электромонтажным чертежом, затем устанавливают пружину между двумя рядами соединителя и распаивают.
В качестве основного припоя для выполнения электромонтажа ГПК применяют припой ПОС-61 ГОСТ 21931—76.
При пайке ГПК к гермовыводам используют ступенчатую пайку; т. е. для второй пайки применяют припой менее тугоплавкий, чем первый..
Подпайку жил ГПК с окончанием в виде планарных выводов к гребенкам выполняют припоем ПОС-61. Последующую пайку ГПК к разъемам, ПП и другим элементам производят припоем ПОСК50-18 (двухступенчатая пайка).
В качестве технологической защиты жил ГПК от повреждений, реко*- мендуется ГПК оформлять внешним контуром, ширина которого порядка
3 мм. Размер между краем токоведущей части жилы ГПК и контуром должен быть не менее 0,3 мм. Жилы ГПК не должны иметь переходов в виде узлов, переходы должны быть плавными. Минимальный размер скруглений не должен превышать 2,5 мм. Переходы контактных площадок в жилы должны быть плавными с радиусом скругления не менее 1 мм. При оформлении контактных площадок для их механического закрепления необходимо предусматривать ответвления.
В конструкции ГПК должны быть предусмотрены места для механического крепления к конструкциям прибора и к монтажным элементам ЭА.
Окончания лент ГПК усиливаются прокладками из полиимида типа ППП-0,70, либо из стеклотекстолита.
Планарные выводы, ГПК вскрываются методами плазменного или химического травления.
Способы крепления ГПК в ЭА. Крепление ГПК в ЭА выбирают таким образом, чтобы закрепленные ГПК не задевали за подвижные части и чтобы не было перемещения, провисания и натяжения ГПК.
После подпайки к электрическим соединителям ГПК необходимо механически закрепить. Крепление может осуществляться: скобами-планками; нитками; заливкой компаундом; винтами с шайбами.
Опасными для ГПК местами являются винты крепления элементов, острые выступы корпуса и пр. Крепление ГПК производят скобами-план- ками, с помощью отверстий со скругленными кромками, выполненных непосредственно в кабеле и нитками.
При подпайке жил ГПК с окончаниями в виде планарных выводов или контактных площадок с отверстиями, крепление лент ГПК осуществляют с помощью гаек и винтов с шайбами в предусмотренных в кабелях местах с отверстиями.
После подпайки жил ГПК с окончаниями в виде планарных выводов к разъемам места пайки заливают компаундом. Высота заливки должна быть на 2...3 мм выше длины хвостовика или края ленты ГПК.
Перед раскладкой ГПК в ЭА выполняют формовку (гибку) по конфигурации устройства в местах, обозначенных на самом ЩК знаками «■■» и *<>». Знак *<>* обозначает изгиб кабеля внутрь изолирующим слоем, а знак — наружу изолирующим слоем. Минимальный радиус изгибов при формовке должен быть 1 мм.
После“формовки ГПК, идущие по одной трассе, собирают и скрепляют.,.
Перепайку соединительных элементов к контактным площадкам можно выполнить не более 3 раз.
Маркировка. Маркировку на ГПК выполняют в строгом соответствии с маркировкой, нанесенной на ЭРИ, к которому подпаивают данный ГПК.
Контроль ГПК. В процессе изготовления ГПК проводят ~100%-ный контроль качества лужения контактных площадок и качества пайки при
4-кратном увеличении, а также проверку маркировки ГПК и мест их присоединения, отсутствия царапин, сколов, трещин, резких изгибов и надломов, формы изгибов и качества лужения, соответствия дайны кабелей, провисания или натяга.
Основные электрические, конструкторские и эксплуатационные параметры ГПК
Конструкция и материал ГПК зависит от электрических и конструкторских параметров, условий и режимов эксплуатации, условий производства.
Основными электрическими параметрами являются:
волновое сопротивление цепей ГПК;
емкость между цепями;
индуктивность;
быстродействие и пр.
Конструкторскими параметрами явлйются:
ширина проводника;
длина ГПК;
расстояние между проводниками;
массогабаритные характеристики;
число слоев;
толщина изоляционных слоев и пр.
К условиям эксплуатации относятся:
климатические воздействия;
механические воздействия;
прочие воздействия.
Режимы эксплуатации:
стационарный (перегибы ГПК только в процессе сборки);
динамический (многочисленные постояннце или периодические воздействия напряжения изгиба в результате качающего, сочленяющего или скручивающего усилия);
Под условиями производства имеют в вицу воздействие агрессивных сред, воздействие высоких температур и пр.
Проектирование ГПК
При проектировании ГПК необходимо провести анализ электрической принципиальной схемы, которая должна быть дополнена следующей информацией:
назначение цепей, обозначение приемников и источников сигналов;
уровни и диапазоны рабочих напряжений, токов и частот сигналов;
значение допустимых уровней помех по напряжению, переходных сопротивлений в особо ответственных цепях.
Входные и выходные адреса цепей блоков и элементов схем прибора должны обеспечивать прямые связи соединения электрических цепей, группируя связи с учетом выполнения соединений лентами ГПК.
При проектировании электромонтажной схемы к ней предъявляется ряд требований:
электрические цепи должны быть расположены без перекрещивания в плоскости одного кабеля, соединяющего блоки или ФУ, т. е. в электромонтажной схеме необходимо обеспечить прямые связи;
слаботочные и сильноточные цепи должны находиться в разных ГПК; в случае если они находятся в одном ГПК, их необходимо конструктивно разнести;
токоведущие жилы ГПК необходимо располагать таким образом, чтобы при наложении двух ГПК сигнальные жилы одного ГПК располагались напротив жил нулевого потенциала другого ГПК. Это относится к ГПК без экранов или с экранами с одной стороны;
в слаботочных цепях сигнальные жилы должны чередоваться с жилами нулевого потенциала (общий провод, экран, корпус).
Методика проектирования ГПК. Рассмотрим ГПК, представляющий собой многослойную конструкцию (см. рис. 4.53), которая состоит из фольгированного диэлектрика (ПФ-1, ПФ-2); пленки полиимидной покрывной (ППП); пленки полиимидной клеевой (ПКС-171).
Проектирование ГПК включает проведение расчетов электрических, конструктивных и тепловых параметров.
Расчетными величинами параметров при проектировании ГПК являются:
активное сопротивление жилы R, Ом;
волновое (характеристическое) сопротивление Z, Ом;
ширина жилы W, мм;
расстояние между жилами S, мм;
ширина ленты ГПК Ь, мм;
длина ленты ГПК /, мм;
емкость единицщ длины жилы относительно цепи нулевого потенциала С, пФ/см;
емкость единицы длины между двумя сигнальными жилами одного ГПК или разных ГПК С,2, пФ/см;
индуктивность единицы длины жилы L, мкГн/см;
индуктивность между двумя жилами Ln, мкГн/сМ;
временная задержка прохождения сигнала по жилам Т0, нс/м.
Исходные параметры для расчетов ГПК:
условия эксплуатации;
назначение цепей;
уровни и диапазоны изменения напряжений, токов и частот сигналов, передающихся по цепи ЭА;
значения допустимых уровней помех по напряжению;
»• электрические, механические и теплотехнические параметры фоль- гированных диэлектриков и изоляционных слоев, из которых состоит конструкция ГПК. ~
температура окружающей среды й способы отдачи Теплоты, которую ГПК выделяет в окружающую среду.
В приведенной ниже методике расчета ГИК предполагается, что:
минимально допустимая ширина жил W составляет не менее (0,3±0,05) мм;
минимально допустимое расстояние между жилами S составляет не
менее (0,3+0,05) мм; -
допустимая плотность тока в жилах ГПК в зависимости от их ширины определяют по табл. 4.44.
Таблица 4.44. Электрические характеристики ГПК
Ширина жилы W, мм |
Допустимая плотность тока Д, А/мм2 |
Максимально допустимый рабочий ток Imax? А |
0,3...0,5 \ |
61 |
1 |
1,0 |
45 |
1,5 |
2,0...3,0 |
37 |
2,5...3,5 |
Расчет электрических параметров. Расчет электрических параметров включает определение:
электрического сопротивления жилы;
волнового сопротивления;
емкостей;
индуктивностей;
падения напряжения на цепях ЭА, выполняемых ГПК. Электрическое сопротивление жилы ГПК определяют из условия минимального падения напряжения по цепям электромонтажа:
' >1
ЛГПк^0,01Я„, (4.8)
ще /?гпк — сопротивление жилы ГПК, Ом;
RKCT — выходное сопротивление источника сигнала, Ом;
Я,, — входное сопротивление приемника сигнала .(нагрузки), Ом;
В зависимости от, падения напряжения сопротивление жилы ГПК определяют по формуле:
Дгпк^. (4.9)
Здесь A U — падение напряжения в жилах ГПК, В; / — ток в жилах ГПК, А. ГПК является элементом с распределенной емкостью.
Значение емкости жил ГПК определяют по следующим формулам:
для синусоидальных сигналов
(4.10)
"ГПК
2 n/RH ’
где Сгпк — емкость жилы ГПК, Ф;
/ — частота синусоидального сигнала, Гц;
для импульсных сигналов
<0,1
-ГПК
где тинп — длительность импульса, с.
Волновое сопротивление ГПК выбирают из условия согласования источника и приемника сигналов и определяют по формулам:
(4.12)
2гпк
—
-2L
Здесь ZrnK — волновое сопротивление цепей ГПК, Ом; ZHeT — выходное, сопротивление (генератора) источника сигнала, Ом; ZH — входное сопротивление нагрузки (приемника) сигнала, Ом.
Индуктивность жилы ГПК определяют по следующим формулам:
для синусоидальных сигналов
(4.13)
л/ ’
^гпк -
(4.14)
для импульсных сигналов
^тпк -0,01/?HtF
Коэффициент уровня помехи Ку П цепи электромонтажа, выполненного ГПК, рассчитывают по формулам:
(при
/= const),
(4.15)
V
s'
^пас У-п
^
тт
V
mm
V
s
^пас
у
п
~й~
w
яь-г
где Unac — напряжение,^наведенное в жилах (пассивных) ГПК на частоте/, В;
Umin — минимальное значение напряжения сигнала, передаваемого по жилам ГПК, В;
UaKT — напряжение на получающей (активной) жиле ГПК на частоте/, В.
Коэффициент уровня помехи Ку п по сигнальным цепям электромонтажа задает разработчик ЭА и в зависимости от его значения определяют необходимость экранирования цепей электромонтажа.
Расчет конструктивных параметров. К конструктивным параметрам ГПК относятся:
ширинаокил;
расстояние между жилами;
длина и ширина ГПК;
размеры и форма контактных площадок. И
Ширину жил ГПК определяют в зависимости от тока, протекающего в жилах и допустимого падения напряжения на активном сопротивлении жил:
(4.16)
Д • 8
где 5 — толщина фольги, м; А — допустимая плотность тока.
Ширину жилы в зависимости от допустимого падения напряжения рассчитывают:
W> р--4г. (4.17)
8 AU У '
Здесь ДU — допустимое падение напряжения в цепях электромонтажа, В; р — удельное электрическое сопротивление медной фольги, Ом • м.
Ширину жилы W выбирают наибольшей в зависимости от условий, заданных разработчиком ЭА.
Волновое сопротивление цепей ГПК, значение емкости между цепями ГПК обеспечивается расчетом расстояний между жилами в плоскости одного кабеля и толщиной изоляционного слоя между жилами ГПК и экранами. Ширина контактной площадки под планарные выводы должна быть на 0,2 мм больше ширины лепестков гребенки.
Расстояние между жилами ГПК определяют в зависимости от требуемой емкости между жилами, максимально допустимого и рабочего напряжения между жилами, тепловой энергии, рассеиваемой жилами.
Расстояние между жилами S, мм, в зависимости от максимально возможного рабочего напряжения определяют по следующей формуле:
(4.18)
доп
где £/ра6 max — максимально допустимое рабочее напряжение между жилами в ЭА, В;