книги из ГПНТБ / Федоров А.М. Основы контроля печатных схем

коренное старение электрической изоляции. Повышение температуры окружающей среды на каждые 10° С, если эксплуатация носит продолжительный период, уменьша­ ет срок службы изоляции примерно в 1,5—2,5 раза [99].

Повреждения, вызываемые периодическими воздей­ ствиями тепла, обусловлены скоростью изменения тем­ пературы элементов аппаратуры (тепловой удар). Ве­ личина, характеризующая скорость распространения температуры в материале, определяется коэффициен­ том теплопроводности, связанным с инерционными свой­ ствами материалов при теплообмене.

Влажность резко ухудшает теплоизоляционные свой­ ства материала. Вода, проникшая в него, вытесняет воз­ дух из пор и ячеек. Коэффициент теплопроводности во­ ды в 25 раз превышает коэффициент теплопроводности воздуха, поэтому даже небольшое увлажнение материа­ ла вызывает резкое увеличение коэффициента его теп­ лопроводности.

Очень вредно влияют на аппаратуру циклические воздействия температуры, например, пустыни, где жар­ кий день сменяется ночными заморозками. При резких температурных колебаниях, на поверхности аппарату­ ры и на ее внутренних частях конденсируется влага. Она абсорбируется через микрокапилляры и проникает в за­ зоры между деталями. Когда температура низкая, вода, заполнившая трещины, поры и зазоры диэлектриков, замерзает и, расширяясь в объеме примерно на 10%, вызывает дальнейшее увеличение этих дефектов. В ре­ зультате электрические характеристики ухудшаются, что приводит к старению материалов.

Повысить стабильность печатных схем в процессе их эксплуатации, помимо влагозащиты печатной платы, можно также за счет выбора соответствующего теплово­ го режима (табл. 57).

б — 3. ДЕЙСТВИЕ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

Важный климатический фактор — зависимость меж­ ду высотностью и допустимыми рабочими напряжения­ ми. В этом случае приходится рассматривать не одно, а целый ряд явлений, находящихся в сложной зависимос­ ти друг от друга. В печатных негерметизированных схе­ мах, функционирующих на воздухе, необходимо учиты­

254

вать не только электропрочность диэлектрика, но и воз­ можность поверхностного перекрытия по поверхности са­ мой платы или защитному слою лака.

Проводимость воздуха создается носителями элек­ трических зарядов. Это могут быть как свободные элек­ троны, так и положительно заряженные ионы.

В газе носители зарядов образуются при помощи ионизации или путем отрыва отдельных электронов от нейтральных атомов. Наиболее важный механизм обра­ зования носителей зарядов — ионизация.

Электроны, возникшие на катоде или вблизи него, ускоряются действием электрического поля в промежут­ ке между проводниками, находящимися под разным на­ пряжением. При некоторой напряженности электриче­ ского поля между электродами образуется электронная лавина из новых носителей тока, создавшихся на пути. Для того, чтобы обеспечить необходимое воспроизводст­ во зарядов, между электродами должно существовать достаточно сильное поле и электроны, им ускоряемые, могли проходить достаточный путь, не сталкиваясь с атомами. Выполнение этого условия облегчается при по­ ниженном давлении воздуха [101].

В общем виде пробивные напряжения в чистом воз­ душном промежутке зависят от следующих факторов:

1.Расстояния между электродами;

2.Конструкции токоведущих частей печатных и объ­ емных элементов, их взаимного расположения и формы;

3.Атмосферного давления, температуры и влажно­

сти;

4.Строения электрического поля (равномерное, не­ равномерное— в зависимости от формы токоведущих ча­ стей печатных и объемных элементов и чистоты обработ­

ки их поверхности); 5. Вида электрического поля (при постоянном, пере­

менном токе, низкой и высокой частоте и импульсном напряжении);

6.Времени воздействия поля (напряжения);

7.Полярности электродов, имеющих большую напря­ женность.

Наличие в воздушном промежутке между токоведу­ щими элементами твердого диэлектрика оказывает су­ щественное влияние на величину разрядного напряже­ ния воздушных промежутков в печатных схемах с

255

Т а б л и ц а 57

Характеристика тепловых режимов печатных схем

Нерегуляр­ Характерен для схем, которым присущи высокий ко­ ный эффициент объемного заполнения, краткое время работы, большие интервалы между включениями.

Факторы, определяющие процесс старения, рассчи­ тать трудно; внутри узла, блока или печатной схе­ мы расположены зоны, где перепад температур рез­ кий и поэтому период старения материалов разный.

Стабилизировать режим работы аппаратуры можно частично, перемещая теплоактивные элементы схе­ мы за пределы платы.

Применение конструктивных средств теплозащиты малоэффективно — сказывается большая тепловая инерционность диэлектриков и защитных покрытий

Регулярный Стабильность параметров печатных плат зависит от того, насколько эффективен естественный теплооб­ мен. Платы стареют равномерно, старение можно рассчитать с точностью ±20%- Тепловая нагрузка на диэлектрик платы может быть снижена благода­ ря использованию печатных или объемных тепловых экранов, защищающих плату от контакта с тепло­ излучающими элементами схемы.

Тепловая инерционность диэлектрика и влагоза­ щитного покрытия способствует постепенному рас­ пределению в материале платы тепла, предупреж­ дает возникновение тепловых ударов внутри схемы

раВйоМерйЫМй й неравномерными электрическими ію­ лями.

Поверхностное перекрытие печатных плат при пробое является по сравнению с перекрытйеМі чисто воздуш­ ным, меньшей величиной. Это уменьшение может быть вызвано тремя моментами: во-первых, у печатных плат, обладающих большой поверхностной гигроскопично­ стью (или у их защитных покрытий), возможно увели-

Рис. 72. Значение пробивного напряжения поверхностного перекрытия в зависимости от давления

чение относительной влажности воздуха вблизи их по­ верхности, во-вторых, неоднородностью поверхностного

•сопротивления плат и их покрытий, наличием в поверх­ ностном слое плат и покрытий, мелких трещин и других механических дефектов, в-третьих, снижением давления воздуха.

Значения пробивного напряжения воздуха и напря­ жения поверхностного перекрытия плат в значительной степени зависят от частоты тока, применяемого в процес­ се эксплуатации. Когда частоты небольшие, амплитуд­ ная величина пробивного напряжения совпадает со зна­ чением пробивного напряжения при постоянном токе. В случае частот, более высоких, значения пробивных на­ пряжений несколько уменьшаются и достигают миниму-

i\ia iipii частоте около 8 • 10ü гц, после чего вновь возра­ стают. Уменьшение напряжения с ростом частоты объяс­ няется искажением поля, обусловленного образованием объемных зарядов в газе вследствие различной подвиж­ ности положительных ионов и электронов. Дальнейшее повышение пробивного напряжения при ультракоротких волнах (УКВ) объясняется тем, что продолжительность полупериода изменения напряжения УКВ настолько ма­

ла, что развитие и заверше­

Повышение температуры окружающей среды снижа­ ет значения напряжений поверхностного перекрытия пе­ чатных плат при всех значениях атмосферного давления от 760 до 3 мм рт. ст., а понижение температуры — уве­

258

Г Л А В А 7

НЕКОТОРЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

Развитие печатного монтажа обуславливается разви­ тием РЭА, которая неразрывно связана с развитием эле­ ментной базы. Поэтому вполне естественное влияние, оказываемое элементной базой на развитие печатного монтажа, в том числе на его схемотехнику, на применяе­ мые методы и технологические процессы изготовления плат. Например, печатные платы аппаратуры выполняв­ шейся на радиолампах имели минимальную ширину про­ водников и зазоров между ними 0,8 мм, на полупровод­ никовых приборах — 0,6 мм, а на этажерочных микро­ модулях — 0,3 мм.

Применение интегральных схем(ИС) и больших ин­ тегральных схем (БИС) требует дальнейшего повыше­ ния интеграции печатного монтажа, с вытекающей от­ сюда необходимостью применения более совершенного оборудования и технологических решений, в том числе применение машинного способа изготовления фотошаб­ лонов плат и их механизированного и автоматизирован­ ного производства. Однако требуемые при этом значи­ тельные затраты должны быть оправданы соответствую­ щими факторами.

В данном вопросе известный интерес представляют зарубежные сведения, касающиеся прогнозов и перспек­ тив развития РЭА и ее компонентов вплоть до 2000 го­ да и ближе, как по отдельным, так и в целом по основ­ ным капиталистическим странам.

Интерес также представляют перспективы развития по основным странам на многие годы радиоэлектронной промышленности по ее секторам, а именно: по-производ­ ству профессиональной или промышленной аппаратуры, бытовой, военной и космической.

260

Несмотря на наличие в прогнозах противоречивых сведений, все же они в достаточной степени характери­ зуют перспективы развития РЭА'и компонентов. Прогно­ зирующее развитие в капиталистических странах в зна­ чительной мере характеризует общее развитие радио­ электроники и в частности печатного монтажа.

Из известных прогнозов и перспектив развития РЭА и компонентов [119—123] можно сделать вывод о про­ должающейся на многие годы вперед практической не­ обходимости Применения в РЭА печатного монтажа и о происходящей закономерной тенденции его интеграции. Разработка РЭА на новых принципах, исключающих применение печатного монтажа, до 1995 года не преду­ сматривается. Только в Японии в 1995 году намечается получениеинтеграции полупроводниковых элементов на молекулярном уровне. Однако и в данном случае вопро­ сы компоновки аппаратуры, обеспечения коммутации электрических цепей, особенно сложных систем — оста­ ются открытыми.

Необходимость дальнейшего длительного практиче­ ского применения в РЭА печатного монтажа и обеспече­ ния возрастающих ее технических требований, в связи с развитием микроминиатюризации, а также обеспечения возрастающего объема выпуска-плат — являются факто­ рами, определяющими причины значительных затрат, особенно в последние годы, зарубежных фирм на разви­ тие печатного монтажа.

Уместно здесь привести некоторые сведения, каса­ ющиеся роста объема выпуска плат печатного монтажа. Рост объема выпуска РЭА в денежном выражении каж­ дое десятилетие в среднем увеличивается в 2—2,5 раза. По имеющемуся прогнозу потребность в элементных компонентах в 1980 году по сравнению с 1968 годом воз­

ноз выпуска печатных плат и их объемов ведущими ка­ питалистическими странами Европы в 1975 году, кото­ рый представлен в табл. 59 [124].

Значительный интерес представляют тенденции раз: вития печатного монтажа на сегодня;

261

Неуклонно возрастающие требования к надежности всех видов радиоаппаратуры и ее микроминиатюриза­ ции выдвигают перед специалистами, занимающимися разработкой новых материалов, конструированием и из­ готовлением печатных схем принципиально новые зада­ чи. Основные среди них следующие:

1.Создание новых типов печатных схем.

2.Создание новых средств, обеспечивающих резкое улучшение качества и сокращение сроков проектирова­ ния.

3.Разработка более совершенных* технологических

методов, позволяющих добиться высокого качества из­ делий.

4. Механизация и автоматизация технологических процессов и их контроля при изготовлении печатных схем с применением ЭВМ.

Необходимо отметить, что в отечественной и зару­ бежной практике имеются две тенденции развития пе­ чатного монтажа с вытекающими отсюда обеспечиваю-, щими технологическими решениями..Одна из тенденций стремится к осуществлению на двусторонней плате пре­ дельной плотности печатного монтажа. Другая тендси-

262

шія — осуществление сравнительно свободной раскладки схемы по слоям многослойной печатной платы. '

Новые типы печатных схем. Преимущество печатно­ го монтажа перед объемным общеизвестно и бесспорно. Освоение техники проектирования и изготовления одно- и двусторонних печатных плат из фольгированных ди­ электриков позволило снизить трудоемкость изготовле­ ния радиоаппаратуры втрое, се вес и габариты вдвое.

Благодаря внедрению плоскостного положения пе­ чатного монтажа, производительность сборочно-монтаж­ ных работ возросла в 3—4 раза, а за счет применения групповой электромонтажной пайки волной или метода погружения в 10—20 раз.

С появлением многослойных печатных схем, наряду с уменьшением объема и веса, резко сократилось коли­ чество контактных соединений. Время осуществления сборочно-монтажных и регулировочных операций умень­ шено почти наполовину, одновременно исключены ошиб­ ки монтажа.

Новые требования, предъявляемые к аппаратуре, обусловили создание новых типов печатных схем:

—гибких многослойных;

—изгибаемых, на металлической подложке;

—смешанной конструкции — жестко-гибких, в том числе жестких многослойных печатных плат (МПП) с гибкими соединениями, составляющими единое целое с МПП;

■— многослойных печатных кабелей-жгутов;

—шлейфов на безусадочных фольгированных орга­ нических и неорганических подложках;

—керамические многослойные печатные платы. Применение гибкого монтажа вместо обычного,

жесткого, дает определенные преимущества — появля­ ется возможность более широкого выбора конструктор­ ских решений, сокращения расходов на монтаж, повы­ шения эксплуатационной надежности і[125].

Гибкий и смешанный монтаж позволяет конструкто­ ру использовать во всех трех измерениях пространство между отдельными узлами, смешанными блоками или «этажами». Выводы компонентов большей частью кре­ пятся на монтажных планках (расшнвочных платах) в различных плоскостях. Гибкие схемы можно сгибать, сворачивать, скатывать в рулон; скручивать. В случае

263