7. Нанесение защитной паяльной маски

Для защиты поверхности платы и медных участков, не подлежащих нанесению финишного покрытия, на плату наносится защитная паяльная маска. Наиболее широко распространена жидкая двухкомпонентная фоточувствительная паяльная маска. Сухая пленочная паяльная маска обеспечивает хорошие результаты по тентированию (покрытию переходных отверстий маской), наносится методом ламинирования, но в настоящее время используется редко, т.к. не подходит для печатных плат выше 3 класса точности. Жидкая паяльная маска наносится методом сеткографии через сетчатый трафарет, причем существует два варианта нанесения. Через готовый трафарет, когда в сетке уже сформированы все окна вскрытия, и маска наносится только на защищаемые участки печатной платы (такой вариант имеет невысокое разрешение и применяется, как правило, на односторонних печатных платах ниже 3 класса точности), и сплошное нанесение маски с использованием метода трафаретной печати и последующим экспонированием через фотошаблон или прямым экспонированием. Перед нанесением маски поверхность меди очищается, затем развивается необходимая шероховатость для хорошей адгезии маски. Жидкая маска продавливается ракелем через сетку на всю поверхность заготовки. Нанесенный слой подсушивается в печке до образования сухой поверхности. Для печатных плат с маской с двух сторон процесс повторяется. Подсушенные заготовки передаются на экспонирование.

Рисунок 22. Нанесение защитной паяльной маски

На установке прямого экспонирования маска засвечивается UV лазером или UV светодиодной матрицей. Засвечиваемые участки полимеризуются и теряют способность к растворению в растворе проявления.

Рисунок 23. Прямое экспонирование паяльной маски

Незасвеченные участки маски смываются в линии проявления. Качество сформированных масочных слоев проверяется контролером. После контроля заготовки помещаются в печку для окончательной полимеризации.

Рисунок 24. Проявление защитной паяльной маски

8. Печать маркировочной краски

Для идентификации монтируемых компонентов большинство изготавливаемых печатных плат имеют маркировку. Маркировка наносится после проявления маски. При струйной печати маркировки по аналогии с обычным струйным принтером изображение формируется капельками чернил отверждаемых ультрафиолетом. Струйный метод является современным и эффективным способом нанесения маркировки. Заготовки с напечатанной маркировкой передаются на контроль качества.

Рисунок 25. Струйная печать маркировочной краски

9. Нанесение финишного покрытия, вариант 1 hasl

На открытые от маски участки меди различными методами наносится финишное покрытие для обеспечения качественной пайки. HASL (Hot Air Solder Leveling). Нанесение припоя путем окунания заготовки в расплавленный припой с последующим выравниванием горячим воздухом. Возможно применение (в разных установках) свинцового и бессвинцового (leadfree) припоя.

Рисунок 26. 1 HASL

Также в качестве финишного покрытия может применяться иммерсионное золото, иммерсионное олово и другие технологии.

После выполнения всех технологических операций, плата будет иметь следующий набор слоев, моделируемых в специальном редакторе:

Рисунок 27. Layer stack. Набор слоев печатной платы

Общая толщина проводников платы – 0,14 мм, Диэлектрическая толщина – 1,886 мм, общая толщина платы – 2,028 мм.

Пропустим процесс панелизации или нарезки платы, и перейдем к моделированию посадочных площадок компонентов и разводки платы.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОСАДОЧНЫХ ПЛОЩАДОК И МОНТАЖНЫХ ОТВЕРСТИЙ КОМПОНЕНТОВ

Весь монтаж компонентов можно условно поделить на два типа: сквозной (навесной) монтаж или поверхностный монтаж.

Площадки поверхностного монтажа составляют большинство в компонентах электронных плат на данный момент. Их преимущество – простота монтажа. Недостаток по сравнению с навесным монтажом – сложность проведения больших мощностей и худшая по сравнению с сквозным механическая прочность соединения. У сквозного монтажа ситуация зеркальная. Как правило, навесной монтаж применяется для монтажа электронных компонентов маломощных плат, а сквозной – для пайки разъемов и соединений или в производстве блоков питания и прочих мощных устройств.

Существует множество стандартных корпусов компонентов и их площадок. В англоязычных технических спецификациях компонентов практически всегда имеются данные о геометрии корпуса и его посадочной площадки или монтажных отверстий. Информацию для моделирования предпочтительнее брать именно оттуда, но с соблюдением технологических возможностей производства.

Контрактные производители печатных плат по запросу или в открытом доступе предоставляют информацию о своих технологических возможностях. Рассмотрим технологические возможности производства предприятия «Резонит» для фольги 35 мкм со стандартным профилем:

Таблица 1. Технологические возможности производства

Минимальная толщина проводника	0,2 мм
Зазор между проводниками	0,2 мм
Зазор между полигоном и элементами остальной топологии	0,2 мм
Отступ элементов топологии от металлизированного отверстия на внутренних слоях	0,25 мм
Поясок контактной площадки	0,2 мм
Поясок площадки переходного отверстия	0,15 мм
Диаметр межслойного переходного отверстия	0,3-0,5 мм
Минимальный диаметр монтажного отверстия	0,6 мм
Минимальное расстояние между краями двух отверстий	0,2 мм
Отступ элементов топологии от края печатной платы	0,4 мм
Минимальная высота шрифта маркировки	1 мм
Минимальная ширина линии маркировки	0,15 мм
Масочный мостик между контактными площадками	0,15 мм
Припуск паяльной маски	0,05 мм

И приступим к созданию контактных площадок, последовательно описав каждый пункт технологических возможностей производства.

В технической спецификации компонента обычно указаны прямоугольные посадочные площадки, однако в действительности лучшим вариантом площадок будет «скругленный прямоугольник»

Рисунок 28. Прямоугольная площадка (сверху) и скругленный прямоугольник (снизу)

Скругленные площадки гарантируют лучшее нанесение паяльной пасты, её подъем, уменьшают шанс образования менисков. Увеличивают свободное место на плате, особенно при использовании 0402 и 0201 компонентов. Также припои, особенно безсвинцовые, не затекают в углы контактной площадки. Единственное что может быть причиной отказаться от скругленных площадок - невозможность изготовить трафарет, что крайне редко является ограничением с современными технологиями изготовления трафаретов.

Минимальная ширина проводника также является минимальным измерением любого проводника, в том числе контактной площадки.

Зазор между проводниками также является зазором между контактными площадками, равно как и зазор между полигоном и элементами остальной топологии. Полигон – этот то же проводник, только большего размера и свободной формы. Он может представлять из себя, к примеру, цельный слой меди на нижнем слое платы, который выполняет роль «общей шины» или нулевого потенциала для платы. В таком случае, в нужных местах можно проводить переходное отверстие между слоями и гарантировать качественный и хорошо индуцированный «ноль» платы.

Отступ элементов топологии от металлизированного отверстия на внутренних слоях гарантирует сохранность топологии при сверлении отверстий.

Поясок контактной площадки представлен на рисунке ниже. Он нужен для передачи тепла от паяльника к сквозному отверстию и гарантирует качественную фиксацию компонента

Рисунок 29. Поясок контактной площадки

Диаметр межслойного переходного отверстия заключен в пределы по причине особенностей сверления стеклотекстолита. Минимальный диаметр монтажного отверстия зависит от класса точности сверления. Минимальное расстояние между краями двух отверстий гарантирует целостность платы. Минимальная высота шрифта маркировки ограничена читаемостью маркировки. Минимальная ширина линии маркировки диктуется возможностями принтера.

Припуск паяльной маски – это расстояние контактной площадки до края вскрытия паяльной маски. Предпочтительно задавать минимальным, так как иначе могут появиться слишком тонкие и легко разрушаемые масочные мостики между контактными площадками

Рисунок 30. Припуск паяльной маски и масочный мостик

С учетом постоянной миниатюризации компонентов все чаще возникает ситуация, когда масочный мостик меньше минимально возможного. В таком случае, можно просто его удалить. Учитывая зазор между проводниками, это слабо не скажется на качестве пайки

Рисунок 31. Микросхемы в корпусе MSOP-8 с удаленными масочными мостиками (черная паяльная маска)

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Моделирование печатной платы производится после подготовки принципиальной электрической схемы и всех моделей посадочных площадок. Первый шаг моделирования печатной платы – определение её размеров и состава слоев. Состав слоев был выбран ранее, остается её физический размер.

Обратимся к технологическому заданию, 3 пункт.

Оригинальная плата была разработана в начале 90-х годов. Её размеры велики, в ней используется поверхностный монтаж и старые, недоступные для покупки компоненты.

Рисунок 32. Оригинальный модуль Epsilon

С использованием современных технологий разъем данной платы может быть уменьшен до размеров корпуса для разъема, который подключается к устройству. Это значительно упростит хранение, монтаж модуля и поиск корпуса.

Сам корпус уже указан в технологическом задании, остается миниатюризировать плату. Частично и этот шаг, вместе с подбором меньших по размеру компонентов, был завершен еще на этапе проектирования схемы и моделирования монтажных площадок и отверстий. Это особенность проектирования печатных плат и устройств на их основе, все шаги выполняются параллельно.

Для определения формы платы в начале прорисуем контур корпуса с учетом допуска.

Рисунок 33. Контур корпуса C-DS1047-25. Прямоугольник сверху - фиксатор кабеля

И уже по контуру корпуса разработаем контур платы

Рисунок 34. Контур платы Epsilon/Load Cell

Далее благодаря инструментам САПР, в средство моделирования платы загружается информация из принципиальной электрической схемы и библиотек компонентов. Компоненты переносятся в средство моделирования и разработчику нужно разместить эти компоненты максимально эффективно.

Рисунок 35. 3D модель печатной платы и набор компонентов для размещения

Этот этап моделирования очень обширен и сложен для рассмотрения в рамках отчета по производственной практике. Можно лишь привести примеры принятых за правило порядков моделирования.

Блокировочные конденсаторы подключатся от источника питания последовательно по ходу дорожки от желательно большого полигона питания. Все полигоны питания должны иметь больший размер для большей индуктивности и удобства его подключения. Например, нулевой потенциал обычно размещают на верхнем и нижнем слое платы в размер всей платы. Тогда верхний слой меди преимущественно будет иметь точки соединения с нулевым потенциалом. А при отсутствии – переходное отверстие на нижний слой позволит гарантировать качественное питание компонентов. Подключение к проводникам большего размера желательно осуществлять не напрямую, а меньшим количеством тонких проводников с воздушным зазором, чтобы уменьшить теплоотвод от площадки при пайке. Все это – лишь некоторые примеры правил, основанных на электротехнических свойствах платы.

Разводка платы может осуществляться вручную или полуавтоматически. Altium designer обладает средством автоматической разводки, которая не знает о требованиях к протекаемым по дорожкам токам, частоте сигналов, индукции между проводниками и так далее. Это дополнительное средство, которое позволяет помочь разобраться с пересечением проводников, конечная разводка всегда за разработчиком. Размещение компонентов осуществляется исключительно разработчиком.

Рисунок 36. Итоговая 3D модель печатной платы в конфигурации со всеми установленными компонентами

Контроль версии для одной и той же платы также осуществляется встроенными средствами моделирования. Они позволяют наглядно видеть, какие параметры компонентов меняются при создании разных моделей плат на одной и той же печатной плате, какие компоненты отсутствуют, а какие требуется установить. Изменения видны как на схеме, так и в редакторе платы и её 3D модели. Также САПР самостоятельно создает списки компонентов для сборки платы в каждой из версий.

Финальный этап перед отправкой платы в производство – проверка соответствия платы технологическим возможностям производства. Внутренние средства Altium designer позволяют выполнить эту задачу на компьютере, а контрактные производители печатных плат выставляют в открытом доступе файлы конфигураций для разных профилей производства. Разработчику остается только воспользоваться этими средствами и последовательно устранить все несоответствия модели технологическим возможностям.

Когда все несоответствия устранены, остается только сгенерировать файлы топологий слоев меди, сверловки отверстий, вскрытий маски и нанесения маркировки. Все это создается из уже имеющейся модели и передается на соответствующие станки экспонирования, сверления, травления, маркировки и так далее в электронном формате.

ВЫВОД

В результате изучения САПР Altium designer можно сделать четкий вывод что эта САПР в действительно содержит полный набор инструментов для производства печатных плат «от идеи до изготовления». К сожалению, Компас 3D не обладает функционалом, даже отдаленно подходящим для таких задач, а других Российских аналогов этого ПО нет. Более того, аналоги зарубежного ПО также не обладают столь мощным и интуитивно понятным функционалом. По личному опыту можно сказать, что САПР Altium Designer – самое простое и интуитивно понятное средство для моделирования печатных плат.

Но не смотря на все многообразие средств моделирования проверки ошибок, которые могут возникнуть в ходе моделирования, прототипы платы, заказываемые мелкими партиями по 3-5 штук, часто оказываются не рабочими. Поэтому, по возможности, первые прототипы собираются в лаборатории разработки и там же доводятся до рабочего прототипа. Ни в коем случае нельзя запускать крупную партию в производство без проверки прототипа. Даже самые современные решения в области моделирования печатных плат не позволяют отказаться от задержки при доводке прототипов.

Первый прототип плат из серии в отчете по практике также оказался провальным и требовал доработки. В нем были ошибки соответствия номеров контактов на схеме и на их модели, не рациональные решения в выборе компонентов (набор резисторов в итоге был заменен одной резисторной сборкой размером в один резистор) и ошибка в контуре платы, который с учетом размеров разъема можно было сделать больше.

Вторая версия платы оказалась полностью рабочей и не требовала дальнейшей разработки. Обе платы в разных конфигурациях представлены на фото ниже

Рисунок 37. Epsilon Signal conditioner модуль, рабочий прототип

Рисунок 38. LoadCell модуль, рабочий прототип