4.2.3. Дпп на металлическом основании

При изготовлении теплонагруженных ДПП для отвода теплоты в каче­стве основания применяют металлические листы из алюминия, меди, стали или титана толщиной 0,1...3,0 мм, покрытые изоляционнйм слоем. При этом наиболее ответственным моментом является процесс нанесения изо­ляционного слоя с требуемыми параметрами изоляции. Чаще всего приме­няют эпоксидное покрытие толщиной 40... 150 мкм, которое наносят в ввде нескольких слоев эпоксидной пасты или порошка с оплавлением каждого слоя при температуре (180 ± 5) °С.

Основными этапами изготовления ДПП на Металлическом основании являются (табл. 4.14):

• сверление отверстий;

• нанесение изоляционного слоя;

• получение токопроводящего рисунка ДПП аддитивным или электро­химическим методами.

Таблица 4.14.Основные этапы ТП изготовления ДПП на металлическом основании

Применение теплопроводных ПП на металлическом основании в связи с постоянным ростом функциональной сложности и тепловыделения ЭРИ и ПМК становится наиболее актуальным.

4. ДПП общего применения на термопластичном основании

ДПП на термопластичном основании можно изготовить:

• электрохимическим методом (см. табл. 4.10);

• методом фотоформирования (см. табл. 4.12);

• с применением активирующих паст (см. табл. 4.13).

Таблица 4.15. Основные этапы изготовления ДПП на термопластичном основании методом фотоформирования Основные этапы Отливка заготовки из термопластичного материала (литье под давлением) Нанесение адгезионного слоя и фотоактиватора на заготовку Получение рисунка схемы методом фотоселективной активации: а) УФ-экспонирование; б) проявление рисунка Толстослойное химическое меднение Нанесение паяльной маски Лужение Отмывка флюса Маркировка, контроль Контроль электрических параметров

Основные этапы изготовления ДПП на термопластичном основанииметодом фотоформирования приведены в табл. 4.15.

Технология изготовления ДПП на термопластичном основании в настоящее время требует доработки.

М.5. Рельефные платы

Авторами конструкции и технологии изготовления рельефных плат РП) в нашей стране являются А. В. Богданов и Ю. А. Богданов. Рельеф- ис платы получили свое название благодаря рельефной форме проводников, которые расположены в изоляционном основании платы и в сечении [шеют форму трапеции (рис. 4.8). Эта конструкция проводника за счет вы- экой прочности сцепления меди с основанием в значительной степени эвышает стойкость к перепайкам (до 50 перепаек), хотя в 2—3 раза мень- це по ширине по сравнению с обычным печатным проводником при од­ом и том же сечении по меди.

Металлизированные монтажные отверстия РП имеют форму сдвоенной воронки без цилиндрической части, что позволяет отказаться от контакт- ых площадок (рис. 4.9). Такая форма отверстий обеспечивает прочное сцепление слоя металлизации с диэлектриком, повышает Надежность РП ри эксплуатации.

а а а а

1 2 3 4 5

Рис. 4.10. Рельефная плата в разрезе: 1— проводник;2— переходное отверстие;3— монтаж­ное отверстие;4— глухое отверстие; 5 — ламель;В₁иB₂— ширина проводника и ламели на поверхности РП;d_p1иdр2— ширина проводника и ламели в глубине РП;Н— толщина заго­товки РП;h₁иh₂— глубина проводника и ламели;D_1,D₂,Dз — диаметр переходного, сквоз­ного монтажного и глухого отверстий на поверхности;D₀₁,D₀₂,D₀з^— диаметр переходного, сквозного монтажного и глухого отверстий в глубине РП соответственно; а — угол конуса

Отсутствие контактных площадок, малая ширина проводников, распо­ложение переходных металлизированных отверстий, диаметр которых не превышает ширины проводника в шаге трассировки, позволяют изготав­ливать РП повышенной плотности монтажа, эквивалентные 6—10-слой­ным МПП в зависимости от шага трассировки, и располагать 4—5 провод­ников между отверстиями диаметром 0,8 мм и межцентровым расстоянием 2,5 мм [40],

Все виды элементов проводящего рисунка РП представлены на рис. 4.10.

Ортогональное расположение проводников (в продольном направлении на, одной стороне и в перпендикулярном на другой) позволяет размещать переходные отверстия в любой точке пересечения трасс с шагом 0,3 мм, что укорачивает электрические связи, снижает уровень помех, паразитные связи и т. п. Роль экранов в РП выполняют шины земли и питания, кото­рые чередуются с проводниками логических связей. Проектирование РП осуществляется с помощью систем автоматизированного проектирования на базе пакетов прикладных программ типа ПРАМ 5/3, PCAD4.5—8.5, СПРИНТ,DisignLab,RELEFи др.

Преимущества РП:

• сверхвысокая плотность монтажа ЭРИ на ПП, габариты и функцио­нальные возможности которой эквивалентны МПП при уплотнен­ной компоновке;

• высокий класс точности (4 или 5);

• возможность применения как традиционной элементной базы, так и ПМК;

• низкая трудоемкость проектирования РП за счет применения про­стого алгоритма трассировки;

высокая эксплуатационная надежность РП;

• возможность замены фольгированных стекловолокнистых диэлек­триков лучшими по качеству полимерными нефольгированными ма­териалами, имеющими более низкую стоимость;

• отсутствие экологически вредных фотохимических процессов нане­сения защитного рельефа, процессов изготовления оригиналов, фо­тошаблонов и соответствующего оборудования;

• возможность наиболее полной механизации и автоматизации ТП из­готовления и контроля РП;

• общее число операций ТП изготовления РП примерно в 10 раз мень­ше, чем при изготовлении МПП;

•. электрическое сопротивление проводника по постоянному току в 1,5 раза меньше, чем у МПП;

• высокая устойчивость к изгибам (возможен прогиб РП до 40...50 % относительно длины).

1. Конструирование рельефных плат

Конструирование РП выполняется в той же последовательности что и конструирование ОПП, ДПП, МПП и ГПП (см. выше).

1. Выбор типа конструкции ПП (РП).

2. Выбор класса точности (4, 5 — для РП).

3. Выбор материала основания (СТАМ для РП ТУ16-503.240—83, СТЭФ).

4. Выбор габаритных размеров РП. При этом возможны следующие ва­рианты:

а) при использовании базовых несущих конструкций (БНК) 1-го уров­ня (ячейки и РП) предпочтительными являются размеры 170 х 200; 170х150; 170х110; 170x75;

б) при разработке оригинальной конструкции модуля 1-го уровня не­обходимо, чтобы установочные и присоединительные размеры по­зволяли устанавливать ячейку в БНК более высоких конструктивных уровней;

в) при разработке ячейки и РП оригинальной конструкции.

Во втором и третьем варианте рассчитывают площадь РП с учетом ус­тановочных площадей ЭРИ, ПМК, шага и варианта их установки. Коэф­фициент заполнения РП и прочие размеры сторон РП подбирают по' ГОСТ 10317-79.

Максимальную толщину РП выбирают в зависимости от выбранного шага трассировки, который равен минимальному расстоянию между цен­трами переходных металлизированных отверстий.

5. Установка соединителей. Электрические соединители устанавливают вдоль большей стороны РП или вдоль той стороны, перпендикулярно ко­торой проходит большинство трасс проводников.

6. Выбор варианта установка, формовки ЭРИ по ОСТ4010.030^Л-81 и

ПМК по РД107.460000.019—90, а также номенклатуры применяемых мон­тажных отверстий (рис. 4.11—4.17). <

Для установки ЭРИ с планарными выводами на РП изменяют типовую формовку выводов. Поскольку ЭРИ имеют большую установочную пло­щадь, то их устанавливают в сквозные и глухие отверстия (как показано на рис. 4.12, 4.13, 4.14 и 4.17), что сокращает установочную площадь на

20. .25 %.

Рис. 4.13. Установка и пайка ЭРИ с пло­скими планарными выводами, формован­ными для установки в глухое круглое монтажное отверстие и пайки встык

Рис. 4.11. Установка и пайка ЭРИ с плоскими планарными выводами и ПМК в металлизированную ламель

Рис; 4.12. Установка и пайка ЭРИ с плоскими планарнымй выводами, фор­мованные для установки в сквозное круглое монтажное отверстие

Рис. 4.15. Установка и пайка ЭРИ с пло­скими планарными выводами в глухое О-образное монтажное отверстие

Рис. 4.14. Установка и пайка эрис плоскими планарными выводами, фор­мованными для установки в сквозное О-образное монтажное отверстие РП

Рис. 4.17. Установка и пайка ЭРИ с круг­лыми штыревыми выводами в сквозное круглое монтажное отверстие

Рис. 4.16. Установка и пайка ЭРИ с пло­скими штыревыми выводами в сквозное круглое ионтажное отверстие

Наибольшую плотность монтажа обеспечивают варианты установки ЭРИ в глухие отверстия.

7. Размещение и трассировка ЭРИ (ПМК). При этом основными тре­бованиями являются: обеспечение минимальной длины связи, минималь­ного количества переходов с одной стороны на другую, исключения пара­зитных связей между проводниками и пр. Для выполнения этих требова­ний наиболее целесообразно однотипные ЭРИ и ПМК располагать рядами, а монтажные отверстия разнотипных ЭРИ, ПМК и ламели — в одну линию.

За начало отсчета при конструировании принимают левый нижний угол РП. Трассировка рисунка схемы может проводиться с шагом 0,3; 0,4; 0,5; 0,625 мм. Пример варианта трассировки представлен на рис. 4.18 и 4.19. Ма­лый шаг трасрировки в сочетаний с переходными отверстиями в шаге трасг сировки позволяют получать высокие трассировочные возможности РП.

7. Выбор шага координатной сетки. Особенностью РП является воз­можность использования постоянных и переменных шагов трассировки,

2,5

2

Рис. 4.18. Пример трассировки РП: 1— проводник шириной 0,25 мм;2— переходные отвер­стияD\ =0,25 мм; минимальный шаг трассировки — 0,5 мм; сквозные монтажные отверстия в шаге 2,5 мм —d=1,2 мм; элементная база — микросхемы в корпусе ЩР

Рис. 4.19. 1— переходные отверстия;2— проводник шириной 0,2 мм;3— глухие отверстия; минимальный шаг трассировки — 0,4 мм; глухие монтажные отверстия в шаге 1,25 мм — </=0,8мм; элементная база — микросхемы с планарными выводами, сформированными пер­пендикулярно плоскости основания; проводники первого слоя; проводники

второго слоя .

что повышает трассировочные возможности за счет симметричного прохо­ждения трасс через большинство монтажных точек. Выбор шага выполня­ют в соответствии с шагом ЭРИ (ПМК), устанавливаемых на РП. Напри­мер, при использовании ЭРИ с шагом выводов 1,25 используют перемен­ные шаги трассировки S= 0,4 + 0,4 + 0,45 = 1,25 мм; при шаге выводов ЭРИ равном 1,0 мм —S=0,33 + 0,33 + 0,34 = 1,0 мм и т. д.; шаг трассировки за­висит также от толщины заготовки (табл. 4.16).

Таблица 4.16.Основные параметры проводников РП

Параметр проводника РП
Шаг трасси­ровки S, мм	Ширина В1, мм	Глубина h1, мм	Угол конуса а, град	Толщина 1 заготовки Я, мм
0,3	0,15	0,1	32	0,5...0,8
0,4	0,2	0,12	32	0,8-1
0,5	0,25	0,15	32	1,0... 1,2
0,625	0,3	0,15	40	1,2...1,5

7. Расчет элементов проводящего рисунка РП:

а) расстояние между элементами проводящего рисунка и краем РП должно быть не менее 0,3 мм;

б) расстояние от края паза, выреза, неметаллизированного отверстия до элементов проводящего рисунка должно быть не менее 0,3 мм;

в) расстояние между элементами проводящего рисунка — не менее 2 мм;

г) расчет ширины печатных проводников. Выполняется в соответст­вии с допустимой токовой нагрузкой по ГОСТ 23751—86 (см. разд. 3.12.4);

д) расчет наименьшего номинального расстояния между двумя про­водниками. Выполняется с учетом значений рабочих напряжений по ГОСТ 23751-86 (см. разд. 3.12.6).

8. Расчет параметров рельефного рисунка при фрезеровании и сверле­нии отверстий РП.

Ширину проводников В₁ и ламелейВ₂рассчитывают следующим обра­зом (см. рис. 4.10):

B=dp₊2tgα/2h, (4.1)

где d_p — наименьшее номинальное значение ширины проводника, рассчитанное с учетом рабочих напряжений и токов;

h— глубина проводника (см. табл. 4.16) или ламели (табл. 4.20).

Диаметры переходных, монтажных и глухих отверстий определяют по формуле

D=D₀+2tgα/2H. (4.2)

Здесь Н— толщина заготовки РП (см. табл. 4.16) или глубина сверления глухих отверстий (табл. 4.19);

D₀(D_0l, D₀₂,Z) — диаметр переходного, сквозного монтажного и глухого отверстий в глубине РП (см. табл. 4.17, 4.18, 4.19 или формулу (4.3)).

Основные параметры проводников, переходных монтажных, глухих от-; верстий и ламелей представлены в табл. 4.16—4.20.

Таблица 4.17.Основные параметры переходных отверстий

Шаг трас­сировки РП S, мм	Толщина заготовки РП H, мм	Диаметр переходного отверстия на поверхно­сти заготовки D1, мм	Диаметр переходного отверстия в глубине РП D01, мм	Угол конуса пе- рехедного отвер­стия а, град
0,3	0,5...0,8	0,16	0,11	6
0,4	0,8 1,0	0,22 0,22	0,13 0,16	12 6
	0,8 1,0 1,2 1,5	0,25 0,25 0,3 0,3	0,16 0,13 0,18 0,15	12 12 12 12
U,OZJ	0,8 1,0 1,2 1,5	0,3 0,3 0,3 0,35	0,2 0,19 0,18 0,13	12 12 12 12

Таблица 4.18.Основные параметры монтажных отверстий РП дляt„ =0,025 мм иf, = 0,1 мм

Диаметр монтажного отверстия на поверхности заготовки D₂,мм

Диаметр монтажного отвер­стия в глубине РП Д)2, мм

Угол конуса монтажного отверстия а, град

	0,7	1,0	1,2	1,5
0,5	0,65	0,71	0,75	0,82
0,6	0,75	0,81	0,85	0,92
0,7	0,85	0,91	0,95	1,02
0,8	0,95	1,01	1*05	1,12
0,9	1,05	1,11	1,15	1,22
1,0	1,15	1,21	1,25	1,32	24
1,1	1,25	1,31	1,35	1,42
1,2	1,35	1,41	1,45	1,52
1,3	1,45	1,51	1,55	1,62
1,4	1,55	1,61	1,65	1,72
1,5	1,65	1,71	1,75	1,82

Толщина заготовки

, мм

Таблица 4.19.Основные параметры глухих отверстий

Шаг трас­сировки РП S, мм	Диаметр глухого отверстия на по­верхности Z>3, мм	Диаметр основания глухого отверстия в глубине РП D0з, мм	Угол конуса глухого отвер­стия а, град	Глубина сверле­ния глухого от­верстия h, мм
0,3	0,65	0,48
0,4	0,8	0,65
0,5	0,65 0,8	0,5 0,65	24	0,4
0,625	0,8	0,63

Таблица 4.20.Основные параметры ламелей

Шаг трассировки РП S, мм	Ширина ламели на поверхности B2, мм	Глубина фрезерова­ния ламели h2, мм	Угол конуса ламели а, град
0,3	0,65
0,4 4	0,8		24
0,6	0,65	0.2
.0,625	0,8

Допускается уменьшение ширины проводящего рисунка по сравнению с шириной рельефного рисунка, при этом минимально допустимая ширина проводящего рисунка должна быть не менее 0,15 мм для проводников ши­риной 0,25 мм и 0,65 мм для проводников шириной 0,8 мм. :

Уменьшение размеров остальных элементов проводящего рисунка не должно превышать 0,15 мм.

Диаметр монтажных и глухих отверстий D₀в глубине РП, в которые ус-’ танавливают ЭРИ, рассчитывают по формуле:

^D0=d_K+2(tм+a^{) (43)}

где d_K— диаметр описанной окружности вывода ЭРИ;

t_м— толщина металлизации; >

t_з— минимальный зазор между выводами ЭРИ и металлизированным монтажным или глухим отверстием.

Значения D₀₂приведены в табл. 4.18 дляt_м= 0,025 мм иt₃= 0,1 мм.

Пример 4.1. Рассчитать параметры рельефного рисунка, полученного фрезерованием и сверлением заготовки РП: ширину В\й глубинуh\про­водника, выбрать минимальный шаг трассировкиS,толщину заготовкиН, параметры переходных отверстий, форму монтажных (сквозных или глу­хих) отверстий; рассчитать диаметр монтажных отверстий Дп и диаметр на поверхности заготовкиD\для установки

ИМС в корпусе 201.14-8 (DIP) при ширине проводника в глубине РПd_p =0,15 мм (рис. 4.20).

Решение. Рассчитаем ширину проводника 5, на поверхности РП по формуле (4.1)

В₁=dp+2tgα/2h₁

при d_р= 0,15 мм — ширина проводника в глубине РП;h₁= 0,12 мм — глу­бина проводника; а = 32° — угол конуса проводника (см. табл. 4.16):

В₁= 0,15 + 2tg16° • 0,12 = 0,15 + 2 • 0,28 • 0,12 = 0,21 мм.

По табл. 4.16 выбираем основные параметры проводника дляширины проводника 2?, = 0,2 мм — минимальный шаг трассировкиS=0,4; толщину заготовкиH= 0,8 мм.

По табл. 4.17 выбираем основные параметры переходных отверстийдля шага трассировкиS=0,4, толщины заготовкиН=0,8 мм. Диаметр переход-

ного отверстия на поверхности заготовки D_t =0,22 мм; диаметр переходно­го отверстия в глубине РПD_m= 0,13 мм; угол конуса переходного отвер­стия а = 12°. ,

Для выбора основных параметров сквозных монтажных отверстий,пр табл. 4.18 необходимо определить диаметр монтажного отверстия на по­верхности заготовкиD₂по формуле (4.2)

D₂ =D₀₂+ 2tgα/2h₁

где диаметр монтажного отверстия в глубине заготовки D₀₂рассчитывают по формуле (4.3):

D₀ =d_k+ 2(t_M +t₃₎

Поскольку микросхемы в корпусах 201.14-8 имеют плоские выводы размером 0,5 х 0,3 мм, диаметр описанной окружности вывода равен d_K= 0,58 мм,t_M =0,025 мм,t₃= 0,1 мм, то

D₀₂ =0,58 + 2 • (0,025 + 0,1) = 0,58 + 2 - 0,125 = 0,58 + 0,25 * 0,83 мм.

Диаметр монтажного отверстия на поверхности заготовки при угле ко­нуса а =24° (см. табл. 4.18) равен

А = 0,83 + 2tg12° • 0,8 = 0,83 + 2 • 0Л21 • 0,8 = 1,16 мм, -v

Установка и пайка микросхемы в корпусе 201.14-8 е плоскими штыре­выми выводами в сквозное круглое монтажное отверстие производится в соответствии с рис. 4.16.

2. Технология изготовления рельефных плат

Существуют Следующие методы получения рельефного рисунка схемы (канавок, отверстий и ламелей):

• фрезерование на станках с ПУ граверными резцами;

• прессование диэлектрика на специальных рельефных пресс-формах с последующим досверливанием отверстий на координатно-сверлиль­ных станках;

• литье под давлением эпоксидной пластмассы, при этом получаются канавки под проводники и сквозные отверстия платы.

Токопроводящие участки РП можно изготавливать субтрактивным, по- луадцитивным и аддитивным методами.

Субтрактивный методсостоит из следующих этапов.

1. Получение заготовки из материала СТЭФ.

2. Получение фиксирующих (базовых) отверстий.

3. Получение канавок, монтажных и переходных отверстий.

4. Мативирование (зачистка) поверхности заготовок.

5. Химическое меднение заготовок (толщина 3...7 мкм).

6. Гальваническое меднение заготовок (толщина меди 25...40 мкм).

7. Нанесение защитного резиста (жидкой спиртоканифольной смеси) на всю поверхность металлизированной заготовки.

8. Зернение (удаление защитного резиста с пробельных мест).

9. Травление меди с пробельных мест.

10. Лужение,

11. Контроль.

Мативирование поверхности гидроабразивной обработкой необходимо для очистки поверхности и отверстий от стружки после фрезерования и сверления, для создания шероховатости пробельных мест, для очистки от Загрязнений и обеспечения равномерности покрытия химической медью.

В результате нанесения защитного резиста и испарения спирта из спиртоканифольной смеси при повышенной температуре вся поверхность заготовки покрывается равномерной канифольной пленкой.

Операцию зернения проводят в вибробункере, в котором керамические шарики оббивают канифольную пленку с пробельных мест.

При лужении в расплавленном припое канифольная пленка выступает в роли флюса и способствует осаждению припоя на проводящий рисунок РП.

Полуаддитивный методсостоит из следующих операций.

1. Получение заготовки из материала СТЭФ.

2. Получение фиксирующих (базовых) отверстий.