Глава 4 конструкции и методы изготовления печатных плат 1

4.1.Односторонние ПП 1

4.2.Двусторонние ПП 6

24

4.3.Многослойные ПП 39

3. Гальваническое меднение в канавки и отверстия (25...40 мкм).

4. Гальваническое нанесение металлорезиста.

5. Удаление маски с пробельных мест.

6. Травление меди с пробельных мест.

7. Лужение.

8. Контроль.

Маскирование пробельных мест — накатка специальными валками за­щитной краски на пробельные места заготовки. Остальные операции ана­логичны подобным операциям субтрактивного метода.

Аддитивный методсостоит из следующих операций:

1. Получение заготовки из материала СТАМ с введенным в объем ката­лизатором, активизирующим осаждение химической; меди, на поверхно­стях которого припрессована пассивная пленка.

2. Получение фиксирующих (базовых) отверстий.

3. Травление адгезионного слоя в серно-хромовой смеси.

4. Получение канавок, монтажных и переходных отверстий.

5. Химическое меднение вскрытых участков заготовки.

6. Гальваническое меднение канавок, монтажных и переходных отвер­стий.

7. Лужение или гальваническое осаждение припоя.

8. Контроль.

При химическом меднении интенсивное осаждение меди происходит только на вскрытых участках заготовки.

4.2.6. Ритм-платы

РИТМ-платы — многоуровневые печатные платы (МУПП) на жестком диэлектрическом или металлическом основании, изготовленные по техно­логии РИТМ-процесса (разделительно-избирательное травление металлов) [41]. Конструкция этих плат представляет собой основание, на поверхно­сти которого с одной или с двух сторон размещен объемный двухуровне­вый проводящий рисунок, сформированный на металлической подложке. Многоуровневые ПП бывают следующих типов: односторонние — ОМУПП (рис. 4.21) — с проводящим рисунком, расположенным с одной стороны; двусторонние — ДМУПП (рис. 4.22) — с проводящим рисунком, расположенным с двух сторон без соединения металлизированными отвер­стиями проводящих слоев и ДМУПП с соединением проводящих слоев (рис. 4.23), расположенных на противоположных сторонах основания,

В многоуровневых ПП используют металлическую подложку, в которой формируют два уровня трассировки проводников за счет избирательного вытравливания металла, оставляя его только в тех местах, где должно быть электрическое контактирование между двуМя уровнями проводников в со­ответствии с электрической принципиальной схемой. Уровни разводки проводящего рисунка объединены между собой металлическими столбика­ми, которые заменяют металлизированные отверстия в ДПП и могут быть использованы в качестве контактных площадок для монтажа ПМК. Таким образом, вместо сверления и металлизации сквозных отверстий на единст-

Рис. 4.21. Односторонняя многоуровневая ПП: 1 — проводящий рисунок верхнего уровня;, 2 — проводящий рисунок цижнего уровня; 3 — склеивающая прокладка; 4 — основание ОМУПП; 5 — опора проводящего рисунка верхнего уровня (может выполнять функции элек­трического соединения верхнего и нижнего уровней проводящего рисунка)

Рис. 4.22. Двусторонняя многоуровневая ПП без соединения металлизированными отверстиями

Рис. 4.23. Двусторонняя многоуровневая ПП с соединением проводящих слоев металлизированными отверстиями

венной операций разделительно-избирательного травления металлов полу-₍чают одновременно несколько тысяч межуровневых переходов и выводов. Кроме того, в РИТМ-плате есть монтажные отверстия, которые не требуют сквозной металлизации, так как выполнены в металлическом оснований.Их можно использовать для монтажа ЭРИ, например, вDIР-корпусах.

РИТМ-платы применяются в качестве коммутационных плат в модулях 1-го уровня (ячейках) и микросборках (МСБ). ОМУПП эквивалентна

4. 6-слойной МПП благодаря повышенной плотности межсоединений (высокой разрешающей способности), можно использовать для установки ПМК. Стоимость РИТМ-платы в 3—5 раз дешеале МПП. РИТМ-платы могут заменить гибриднопленочные пассивные структуры в БИС, СБИС и МСБ. Благодаря им улучшаются массогабаритные характеристики ЭА, со­кращается разрыв между достигнутым уровнем интеграции элементной базы в настоящее время и технологическими возможностями межэлементной коммутации.

РИТМ-плату можно использовать для дальнейшего сближения методов изготовления функциональных узлов на ПП и гибридно-пленочных мик­росборок, а также создания единой технологии сборки МЭА на одном виде коммутационной платы, что позволит экономить материальные; и трудовые ресурсы.

Габариты РИТМ-платы с металлическим основанием не имеют физи­ческих ограничений, так как металлическое основание нё подвержено усадке, влагопоглощению и термостатированию, приводящим к деформа­ции ПП из гигроскопичных фольгированных диэлектриков и потере точ­ности взаимного расположения элементов печатного монтажа на больших площадях. Ограничением на размеры РИТМ-плат являются возможности оборудования для фотолитографичесйх, элегарохймических процессов и сложность изготовления рабочих фотошаблонов.

1. Конструирование МУПП

Конструирование и расчет МУПП выполняют в той же последователь ности, что и для ОПП, ДПП, МПП и ГПП (см. гл. 3, в соответствии с [13]):

• изучение ТЗ на изделие (ФУ, электронный модуль), в состав которо­го входит разрабатываемая МУПП;

• определение и анализ условий эксплуатации и группы жесткости ра­боты ЭА;

• выбор типа конструкции;

• выбор материала основания;

• выбор материала проводящего рисунка;

• выбор конструктивного покрытия;

• размещение ЭРИ, ПМК;

• выбор размеров, форм и расположения элементов проводящего ри­сунка и трассировка проводников;

• выбор способа маркировки;

• разработка конструкторской документации.

В зависимости от условий эксплуатации по ГОСТ 23752—79 определя­ют группу жесткости, в соответствии с которой предъявляют требования к конструкции МУПП, материалу ее основания, к защите от внешних воз­действий (механических, климатических и др.) и все это указывают в тех­нических требованиях чертежа МУПП.

При выборе типа конструкции (МУПП, ОМУПП, ДМУПП) необходи­мо оценить их трассировочную способность, Технико-экономические Пока­затели и пр.

Материалом основания ПП может быть металл или диэлектрик, кото­рый выбирают с учетом физико-механических, электрических параметров, экономических требований, условий эксплуатации, обеспечения тепловых режимов ЭРИ и обеспечения сопряжения TKJ1PЭРИ, ПМК и основания МУПП при пайке и эксплуатации. Основание ПП может быть выполнено практически из любых материалов и иметь встроенный теплоотвод.

Для двусторонних многоуровневых ПП с металлизированными отвер­стиями необходим диэлектрический материал, например СТЭК, толщиной

1. .. 1,5 мм, так как при использовании металла в качестве основания его необходимо изолировать от слоя металлизации в отверстиях. Для металли­ческих оснований МУПП применяют алюминий марок А5, АД1, толщиной

1. 8...1,5 мм, сплавы 36Н, 29НК толщиной 0,15...1,5 мм. Толщину основа­ния МУПП выбирают в

2. зависимости от механических и климатических воздействий для обеспечения целостности конструкции, теплоотвода, со­пряжения ТКЛР ПМК и основания.

Выбор материала проводящего рисунка МУПП зависит от электриче­ских параметров схемы, от механических и климатических воздействий в процессе эксплуатации. В качестве проводникового материала, который называется носителем, наиболее часто используют листовую низкоуглеро­дистую сталь СМК-15, медь и ее сплавы, например, латунь J1-69 толщиной

150. .200 мм, причем на стали токопроводящий рисунок формируют галь­ванической медью, а на латунном или медном листе — никелем, которые имеют разное удельное сопротивление. Далее в качестве материала провод­ника будем рассматривать никель.

Склеивающиеся прокладки из листов прокладочной стеклоткани тол­щиной 0,02...0,03 мм должны иметь суммарную толщину не менее двух толщин подтравливания проводника и защитного покрытия.

Для защиты от коррозии, повышения электропроводности, снижения переходного сопротивления, обеспечения паяемости в качестве конструк­тивного покрытия применяются золото (толщиной 0,5...1,5 мкм), палладий (1...5 мкм) и их сплавы, никель (толщиной 3...6 мкм) (для защиты от кор­розии и повышения износоустойчивости).

Для формирования проводящего рисунка используется никель толщи­ной 20...50 мкм на подложке из меди или ее сплавов или медь толщиной

25. .30 мкм с барьерным подслоем никеля на подложке из тонколистовой малоуглеродистой стали.

Для защиты от климатических воздействий в качестве изоляционного покрытия применяют лак УР-231 или краски УФ-отверждения.

Размер МУПП выбирают в зависимости от применяемой элементной базы, шага расположения ЭРИ, ПМК, числа устанавливаемых ЭРИ и чис­ла задействованных выводов ЭРИ, типа корпуса и установочной площади ЭРИ, а также с учетом технических характеристик применяемого оборудо4 л вания (например, автоматов для установки ЭРИ, размеров стола, ванн и

• др.). Необходимо также учитывать способ закрепления МУПП в модуля?! более высокого конструктивного уровня и установочные размеры. Пре4 дельные отклонения на размеры не должны превышать 12 квалитета. В ос-’ новном применяют МУПП прямоугольной формы. ^J

Геометрические размеры ПП определяются по методикам, приведен­; в разд. 3.9.1 и 3.9.2.

Толщину МУПП выбирают в зависимости от толщины материала бсно- гия Я_осн; проводникового материала (носителя) Яд, склеивающих про- докН„р, покрытия Я_п, а также механических воздействий при эксплуа­тации.

Толщину МУПП, Я, мм, рассчитывают по следующей формуле:

Н =Н_кн+ £Яи + (0,9 + 1,2)£Я_Пр + Я„, (4.4)

При этом предельное отклонение толщины МУПП не должно превышать ±0,2 мм.

Пример 4.2. Рассчитать толщину ОМУПП на алюминиевом основании « проводниковым материалом (носителем) из латуни со слоем никелд при щине основания Н_жн=1,0 мм; толщине слоя латуни Я_лат= 0,2 мм; тол- ме слоя никеля Ям; = 0,020 мм; толщине склеивающих прокладок -лж_пр= 0,02 мм; толщине покрытия Я_п= 1,5 мкм (Аи); ширине проводника 1=0,1 мм.

Решение. Толщину ОМУПП определяют по формуле (4.4).

Толщина носителя

^Ян =^Ялат +^HNi=^0,2+^0,020=^{0,22 мм}.

Суммарная толщина прокладок должна быть не менее двух величин Ьодтравливания носителя АДр, т. е.

£Япр > 2ДДр, (4.5)

&D,р~ 0,245 мм — определяют по табл. 4.21 для ширины проводника #= 0,1 мм и толщины носителяН_н= 0,22 мм.

: Таблица 4.21.Величина подтравливакия жесткой опоры

Ширина проводника, мкм	Величина подтравливания жесткой опоры &DTp, мкм
	Толщина материала носителя, мкм 1
	50	80	100	150	220	250
, 50	70	100	120	170	220	270
80	85	115	135	185	235	285.
100	95	125	■ 145	195	245	295
120	105	135	155	205	255 ’	300
1 150	—	150	• 170	220	270	320 I
оО	—	—	185	235	285	335 I
’ 200	—	—	—	245	295	345

; Суммарная толщина прокладок

ХЯ_ПР> 2 0,245 =0,49 мм.

Принимаем £ Я_пр= 0,5 мм.

Толщина ОМУПП

Н=1,0 + 0,22+ 1,0 -0,5+ 0,0015 = 1,72 мм;

Размеры, форма и расположение элементов проводящего рисунка. Отвер­стия и элементы проводящего рисунка необходимо располагать относи­тельно базы координат (левый нижний угол МУПП) и линий координат­ной сетки.

Размеры монтажными переходных отверстий. Отношение диаметра мон­тажного или переходного отверстия к толщине МУПП должно быть не ме­нее 1:3.

Номинальный диаметр монтажного металлизированного отверстия d устанавливают из следующего соотношения (см. (3.8»:

d-\Ad„J>d._t + r,

где d_H0— нижнее предельное отклонение диаметра отверстия (см. табл. 3.17); ,

d₃— максимальное значение диаметра вывода устанавливаемого ЭРИ (для прямоугольного вывода за диаметр принимается диагональ его сечения);

г — разность между диаметром отверстия и диаметром вывода ЭРИ (выбирают в пределах 0,1...0,4 мм — при ручной установке ЭРИ и в пределах 0,4...0,5 мм — при автоматической установке ЭРИ).

Номинальный диаметр переходного отверстия устанавливает конструктор.

Размеры и расположение печатных проводников. Ширина печатного про­водника tзависит от электрических (допустимая токовая нагрузка, погон­ная емкость, сопротивление проводников и пр.), конструктивных и техно­логических требований.

Наименьшее номинальное значение ширины печатного проводника t,мм,‘рассчитывают по формуле (3.11):

Здесь t_{m1rt д}— минимально допустимая ширина проводника, рассчитывае­мая в зависимости от допустимой токовой нагрузки в соответствии с фор? мулами (3.12)—(3.14); Д/_нл— нижнее предельное отклонение шириныnpotводника (см. табл. 1.1).

Ширина печатного проводника на нижнем уровне должна быть не ме_тнее 0,075 мм, на верхнем уровне — не менее 0,1 мм. Максимальная шири­на проводника верхнего уровня (кроссовера) не должна превышать 0,2 мм, ширина нижнего уровня не ограничена. Проводники верхнего и нижнего уровней выполняются во взаимно перпендикулярных направлениях.S

Используются две конфигурации кроссовера: гантелеобразная и сетча­тая. Для -РИТМ-плат с наибольшей плотностью разводки предпочтитель­ной является первая конфигурация, позволяющая значительно уплотнить

гологию путем расположения переходов соседних кроссоверов в шахмат- >м порядке.

Если на верхнем уровне необходимо расположить проводншГ шириной более 0,2 мм, то его наносят в виде сетки (рис. 4.24).

Максимальную длину проводника (сетки) на нижнем уровне не огра­ничивают. На верхнем уровне максимальная длина проводника между дву­мя опорами не должна превышать 15 мм, а для проводника в виде сетки — 30 мм.

а б в

Рис. 4.24. Сетчатая конфигурация кроссовера: минимальная ширина окна сетки С_{о с}= 0,250 мм

Выбор и расчет контактных площадок. Форма и размеры контактных площадок под ЭРИ с аксиальными и планарными выводами рассчитыва­ются по формуле (3.15), причем для контактной площадки с формой от­личной от круглой, минимальный диаметр определяется диаметром впи­санной окружности с центром в узле координатной сетки. Форма и разме­ры контактных площадок под установку ПМК рассчитываются в соответствии с РД 50-708 (разд. 4) [13].

Контактные площадки жесткой опоры проводников верхнего уровня «Ьбычно выполняются круглой, квадратной или близкой к ним формы.

Диаметр контактной площадки жесткой опоры Dрассчитывают по формуле

D = D„ +АДр, (4.6)

где D_H— номинальный диаметр контактной площадки;

ДД_р— величина подтравливания жесткой опоры, которая зависит от толщины проводникового материала, ширины проводника и значения которой приведены в табл. 4.21.

Расстояние между элементами проводящего рисунка. Расстояние между ^Лсоседними элементами проводящего рисунка устанавливают в соответст­вий с электрическими (электрическая прочность изоляции, погонная ем­кость, паразитные связи и пр.), конструктивными и технологическими тре­бованиями.

Наименьшее номинальное расстояние между соседними элементами проводящего рисунка Sопределяют по формуле (3.16):

S= Лпипд +^Д*в.о + "Г" •

^{ij 1}

Здесь Т_е— позиционный допуск расположения элемента проводящего рисунка относительно соседнего (см. табл. 1.1);

∆t_во— верхнее предельное отклонение размеров элементов прово­дящего рисунка (сМ. табл. 1.1);

S_minR— минимальное допустимое расстояние между соседними эле­ментами проводящего рисунка, которое выбирают исходя из обеспечения электрической прочности изоляции; для двух со­седних проводников расстояние выбирают по табл. 1.4 и 1.5. Причем при низких напряжениях в электрических цепях ми­нимально допустимое расстояние для нижнего уровня должно, быть не менее 0,1 мм, а для верхнего — 0,15 мм.

• Электрические характеристики МУПП. Электрическое сопротивление пе­чатных проводников.Электрическое сопротивление проводниковR, Ом, определяют по формуле

R=

Здесь р — удельное электрическое сопротивление; h— толщина печатного проводника;к— количество участков проводника на его расчетной длине, имеющих различную ширину;Ц— длина /-го участка проводника шири­нойtj— ширина печатного проводника на /-м участке.

Если у печатного проводника покрытие составляет более 12 мкм, то со­противление его определяют как сумму сопротивлений отдельных слоев, в соответствии с табл. 4.22.

Таблица 4.22.Удельное электрическое сопротивление

Металл	Удельное электрическое сопротивление ? Ом • м х10 -8
Медная фольга	1,72
Гальваническая медь	1,90
Химическая медь	2,80
Олово	11,3
.Алюминий	2,9
Золото	2,22
Палладий	10,3
Сталь	15,0
Никель	7,80
Серебро	1,59!

Нагрузочная способность по току.Нагрузочную способность по токудМ МУПП, критичных к рассеивающей мощности их поверхности, устанавли** вают в соответствии с основным материалом проводника проводящего рисунка и допустимого превышения температуры проводника относительно температуры окружающей среды.

Значение допустимой токовой нагрузки для различных материалов со­ставляет:

медная фольга, А/м²(100...250) • 10⁶