5. Печатные платы, технологические и функциональные элементы пп.

Печатная плата – это конструктив электронного устройства (ЭУ), представляющий собой жесткую или гибкую пластинку из диэлектрика (или металла, покрытого диэлектриком), содержащую на поверхности пленочные проводники, служащие в дальнейшем для электрического соединения выводов различных изделий электронной техники (ИЭТ) (например, ИС, диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и др.), устанавливаемых на пластинке. Таким образом, основным назначением ПП является обеспечение электрического соединения (т.е. коммутации) ИЭТ в процессе их монтажа на ПП, поэтому не случайно в качестве более общего термина для определения ПП часто используют термин – коммута-ционная плата (КП).

Кроме выполнения коммутирующих функций, ПП выполняет и другие не менее важные функции. Так ПП выполняет функции несущего основания, обеспечивая надежное механическое крепление на ней (с использованием отверстий или прямо на поверхности) ИЭТ, требуемый теплоотвод, а при необходимости – экранирование и другие виды защиты от влияния внешних и внутренних негативных воздействий на электрические параметры функциональных узлов, создаваемых на основе ПП.

Функциональные элементы – те, которые участвуют в функционировании устройства (пригодные для токопрохождения). Примеры функциональных элементов: проводящие дорожки, знакоместа, контактные площадки, металлизированные отверстия, ламели и др. (рис.4.1). Знакоместо - это группа контактных площадок или металлизированных отверстий, предназначенных для посадки и монтажа на них (в них) навесных компонентов. Отдельные контактные площадки могут использоваться для монтажа перемычек, шлейфов, объемных соединителей и т.д. Ламели - это группа контактных площадок, служащих для соединения устройства с другими модулями РЭА, т.е. – это плоский соединитель вилочного типа. К функциональным элементам можно отнести и термокомпенсационные слои (медь – инвар – медь), которые часто используют в ПП сложной конструкции в качестве шин питания и заземления, и др. Технологическими элементами называются такие, которые не участвуют в токопрохождении, т.е. в работе устройства, но служат для контроля качества выполнения отдельных операций технологических процессов, в качестве указателей (ориентиров) разного назначения, для крепежа деталей, для теплоотвода и др. целей (рис.4.2).

6. Конструкторско-технологические разновидности печатных плат.

В связи с большим разнообразием ПП (КП), выпускаемых отечественными и зарубежными предприятиями, существует ряд классификаций для упрощения анализа и выбора необходимого типа ПП.

Если в основу классификации положить разновидность конструкторско-технологической реализации ПП (КП), то их количество может составить 200 и более видов. Поэтому целесообразно рассмотреть наиболее освоенные разновидности ПП.

Самыми простыми по конструкции и технологии изготовления являются односторонние (однослойные) печатные платы (ОПП), они выполняются обычно без металлизированных отверстий, площадь размещения рисунка коммутации в таких ПП невелика, так как коммутация реализуется только на одной стороне платы. В основном ОПП предназначены для электронных устройств бытового и вспомогательного назначения.

Двухсторонние печатные платы (ДПП) имеют проводящий рисунок с двух сторон платы. Соединения проводников обоих слоёв выполняются в нужных местах с помощью металлизированных отверстий. ДПП широко используются для изготовления разнообразных ЭУ, более сложных, чем на ОПП.

Разнообразие конструкторско-технологических вариантов реализации ОПП и ДПП зависит от:

технологии формирования электропроводящих покрытий;

технологии получения рисунка коммутации;

технологии формирования и металлизации переходных и монтажных отверстий;

разновидности материала основания ПП и его специфических свойств (гибкости, технологичности, термо- и вибростойкости, устойчивости к радиации и другим воздействиям, травимости в избирательных средах и т.д.).

С точки зрения плотности коммутации и функциональных возможностей, даже при всех одинаково выбранных материалах и технологиях, ДПП выигрывают у ОПП, уступают им только в стоимости.

Наибольшая плотность коммутации при наименьших массогабаритных показателях достигается в гибких ПП, которые обычно изготавливают на основе полиимидной плёнки.

Жёстко-гибкие конструкции ПП позволяют соединить друг с другом МПП (или ДПП) на жестких основаниях общим гибким слоем (с коммутирующими элементами) почти при любом их расположении без соединителей и электрического монтажа, что позволяет:

уменьшить массагабаритные показатели изделия;

исключить ошибки при монтаже;

сократить время испытания и ремонта изделия;

снизить стоимость сборки функциональных узлов на таких платах.

Гибкий слой коммутации в этом случае является общим для двух соединяемых МПП (или ДПП) и содержит плёночное защитное покрытие на соединительном участке.

С применением гибких полимерных пленочных диэлектриков изготавливаются, кроме плат, и другие коммутационные узлы, в частности гибкие шлейфы, состоящие из одного или нескольких диэлектрических слоёв, на которых выполнены печатные проводники. Гибкие плоские кабели состоят из 2 - 60 тонких проводников диаметром не более 40 мкм, залитых или запрессованных в эластичную полимерную оболочку, например в полиэтиленовую, поливинилхлоридную, лавсановую и др., но нередко их изготавливают с применением диэлектрических оснований в виде плёнок из аналогичных полимерных материалов и печатных проводников. Гибкие шлейфы (кабели) хорошо выдерживают многократные перегибы, вибрации; занимают меньшие объемы и в несколько раз легче обычных кабелей и жгутов, применяемых для межузлового и межблочного монтажа.

Многослойные печатные платы состоят из чередующихся слоёв изоляционных и токопроводящих материалов, сформированных в соответствии с разработанной топологией для каждого слоя. Между различными коммутационными слоями формируют межслойные электрические соединения. В простейшем случае конструкция МПП представляет собой монолитную структуру, состоящую из отдельных ОПП и (или) ДПП (т.е. заготовок), разделяемых изолирующими прокладками с организованными электрическими соединениями между коммутационными слоями.

Различия конструкторско-технологических вариантов МПП во многом определяются технологией создания межслойной коммутации, которая реализуется следующими способами:

через сквозные металлизированные отверстия в структуре платы;

через металлизированные отверстия в отдельных слоях (через глухие, либо глухие и внутренние отверстия) платы;

через окна, сформированные в межслойном диэлектрике с помощью фотолитографии либо трафаретной печати;

через неметаллизированные отверстия (сквозные и глухие) с помощью объёмных проводящих деталей, перемычек проводов, полосок фольги, заполнения припоем разновысотных глухих отверстий с имеющимися на их дне открытыми контактными площадками, с использованием выводов навесных компонентов, устанавливаемых в таких отверстиях и др.

Не менее важными факторами, способствующими возрастанию числа конструкторско-технологических вариантов современных МПП, являются:

технология создания многослойной структуры (например, путем набора в пакет единичных ОПП и (или) ДПП с последующим замоноличиванием пакета, либо послойным наращиванием диэлектрических и электропроводящих материалов с требуемой топологией и др.);

технология получения электропроводящих и диэлектрических покрытий (фольгирование, химическое или электрохимическое осаждение, вакуумное напыление и др. – для проводящих покрытий; использование изолирующих прокладок, вакуумное либо пиролитическое осаждение, анодирование, пульверизация, переносная либо трафаретная печать и др. – для диэлектрических покрытий);

технология формирования рисунка в разных слоях (переносная печать, трафаретная печать, фотолитография, лазерная технология и др.);

разновидности используемых материалов в структуре МПП с учетом их специфических свойств, обеспечивающих реализацию конструкции МПП с требуемыми физико-химическими, электрофизическими, механическими, тепловыми и другими характеристиками;

возможности встраивания в структуру МПП пленочных пассивных элементов и (или) микрокомпонентов (преимущественно бескорпусных), а также различных миниатюрных деталей.

Печатно-проводные платы (ППП) - это ПП, в которых коммутационными элементами являются не только печатные проводники, но и объёмные провода, представляющие собой перемычки, пропускаемые через сквозные отверстия на нужные контактные площадки с разных сторон платы и выполняющие роль межслойной коммутации. С точки зрения конструкции ППП представляют собой сочетание одной или нескольких ДПП и монтажных изолированных проводов диаметром 0,1 мм и менее (рис.5.4). Их применение целесообразно для:

сокращения сроков проектирования и изготовления изделия;

освоения производства сложной аппаратуры (для макетирования);

единичного производства МПП при изготовлении сложных ЭУ, т.к. стоимость ППП в сравнении с МПП сокращается на 20 - 40 %, что весьма существенно.

Рис.5.4. Эскиз фрагмента сечения конструкции печатно-проводной платы: 1 – диэлектрическое основание; 2 – печатный проводник; 3 – гибкие перемычки из провода; 4 – сквозное отверстие (неметаллизированное).

Рельефные платы отличаются тем, что проводники фомируют в канавках диэлектрического основания, предварительно изготовленных в соответствии с топологией коммутирующих элементов (рис.5.5). Такая конструкция плат может быть реализована в виде ОПП, ДПП и МПП с заглубленными элементами коммутации. Основные достоинства рельефных ПП:

высокая надежность коммутации (так как она заглублена);

возможность организации экологически чистой технологии (так как можно не использовать жидкие агрессивные технологические среды для травления);

возможность изготовления функционального узла одновременно с изготовлением платы (за счет заглубления микрокомпонентов, преимущественно бескорпусных);

возможность создания портативных миниатюрных, легких устройств плоской конструкции;

невысокая стоимость изготовления.

Рис.5.5. Эскиз сечения фрагмента конструкции рельефной ДПП: а – после этапа создания рельефа в диэлектрическом основании; б – после формирования металлизации в канавках и отверстии; 1 – диэлектрическое основание; 2 – канавка для проводников; 3 - переходное отверстие; 4 – заглубленные коммутирующие элементы.

Объёмные платы представляют собой функциональные узлы, в которых реализуется заглубленный (в объёме платы) монтаж компонентов (чаще всего бескорпусных), осуществляемый одновременно либо последовательно с формированием многослойной структуры коммутационной платы. В отличие от рельефных МПП, в объемных платах для коммутационных элементов рельеф часто не создается, их формируют с применением обычных и новых для МПП технологий с заглублением микрокомпонентов, хотя в отдельных случаях не исключено использование рельефной технологии при изготовлении объемных МПП (то есть объемно-рельефных плат).

На основе рельефных и объемных МПП в едином технологическом цикле можно создавать объемные интегральные многокристальные модули, микросистемы и другие уникальные миниатюрные ЭУ, в том числе с высоким быстродействием, которые могут использоваться как в качестве суперкомпонентов, так и в виде самостоятельных изделий.

К основным недостаткам рельефных и объемных плат следует отнести невысокую нагревостойкость, так как при их изготовлении используются термопластичные полимерные материалы; низкую ремонтопригодность, а также повышение стоимости изготовления с увеличением количества слоев коммутации.