Конструкторско-технологические разновидности пп.
С точки зрения конструкторско-технологической реализации, ПП (по сравнению с другими средствами коммутации) можно охарактеризовать особенностями:
плоскостным расположением проводящих элементов (дорожек) без пересечений с каждой стороны диэлектрического основания, что позволяет минимизировать паразитные ёмкости между ними (рис.5.3);
Рис.5.3. Упрощенное представление расположения на ПП токопроводящих дорожек и переходных отверстий: а – с одной стороны, б – с другой стороны платы.
наличием монтажных отверстий и отверстий для межслойных соединений (в общем случае), что позволяет избегать пересечений проводников и минимизировать длину электрических цепей и, тем самым, уменьшать задержку распространения электрических сигналов;
наличием системы размещения отверстий и других элементов в виде координатной сетки (шаг координатной сетки более 2,5 мм почти не используется), что создает возможность автоматизации проектирования и изготовления ПП, а также упрощает проектирование фотошаблонов и трафаретов;
возможностью точного дозирования на их поверхности припойных и других материалов, что позволяет реализовать высокоплотную коммутацию с улучшенными массогабаритными показателями, электрофизическими и механическими параметрами, а также меньшей материалоемкостью;
повышенной надежностью, так как в производстве ПП возможна реализация тестового контроля, в том числе и автоматизированного, что способствует повышению качества изготовления плат;
возможностью реализации групповых, в том числе автоматизированных, технологий производства плат, что позволяет снизить трудоемкость изготовления и повысить технологичность коммутационных конструктивов;
применением прецизионных технологий для получения элементов платы с минимальными размерами при высокой точности их воспроизведения;
независимостью технологий изготовления от топологии коммутации плат, что обеспечивает создание плат для разных ЭУ в одном групповом технологическом процессе, а различные рисунки коммутации при этом получают путем смены фотошаблонов (основного инструмента фотопечати, то есть процесса фотолитографии).
В связи с большим разнообразием ПП (КП), выпускаемых отечественными и зарубежными предприятиями, существует ряд классификаций (в зависимости от разных признаков, положенных в их основу) для упрощения анализа и выбора необходимого типа ПП. Так, в зависимости от числа коммутационных слоёв (уровней коммутации или слоёв металлической разводки) различают:
односторонние ПП (ОПП);
двусторонние ПП (ДПП);
многослойные или многоуровневые ПП (МПП).
В зависимости от степени жёсткости (или гибкости) основания различают:
жёсткие ПП;
гибкие ПП (ГПП);
комбинированные, т.е. жёстко-гибкие ПП.
По материалу несущего основания можно выделить:
ПП на диэлектрическом основании, например, стеклотекстолитовые, ситалловые, керамические, полиимидные, пластмассовые и др.;
ПП на металлическом основании, например, стальные эмалированные, на основе анодированного алюминиевого сплава, на основе структуры медь – инвар – медь с изолирующим покрытием и др.;
ПП на полупроводниковом основании, например, на основе кремния;
гетерослойные (например, со структурой стеклотекстолит-полиимид, полиимид- анодированный алюминиевый сплав, керамика-полиимид и др.).
По особенностям формообразования ПП могут быть:
плоскими;
рельефными;
объемными;
объемно-рельефными.
По плотности коммутирующих элементов и типам конструкции используемых навесных компонентов различают:
ПП для традиционного монтажа;
ПП (КП) для поверхностного монтажа;
ПП (КП) для смешанного (традиционного и поверхностного на одной ПП (или КП)) монтажа.
У ПП для традиционного монтажа плотность монтажа характеризуется шагом коммутирующих элементов (1,25 мм и более), а также конструкцией используемых навесных компонентов, пригодных для монтажа в отверстиях плат. Шагом называется расстояние между центрами соседних проводников.
ПП для поверхностного (высокоплотного) монтажаобычно называются коммутационными платами (КП) с шагом коммутационных элементов 1,25 мм и менее, такие платы требуют применения навесных компонентов в микрокорпусах и на лентах – носителях и (или) бескорпусных.
Иногда ПП (КП) различают в зависимости от технологии получения электропроводящих слоев (от технологии металлизации); например ПП, получаемые по субтрактивной (с использованием селективного травления металлической фольги), либо аддитивной (с использованием химического осаждения металла), либо полуаддитивной (с использованием химико-гальванической металлизации), либо тонкопленочной, либо толстопленочной, либо полимерной или другой технологии, включая комбинации некоторых из них.
По функциональному назначению ЭУ, в которых ПП используются, можно выделить:
ПП для мощных устройств;
ПП для СВЧ-устройств;
ПП для цифровых быстродействующих устройств;
ПП для устройств измерительной техники и т.п.
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, 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, а также часто используются при макетировании ЭУ.
Двухсторонние печатные платыимеют 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. ДПП на металлических основаниях с диэлектрическим покрытием из стекла, стеклоэмали или лака (например, полиимидного) пока менее распространены, чем на диэлектрических основаниях.
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 превалируют над ОПП, уступая им только по себестоимости. Если в качестве оценочных показателей перспективности ПП (КП) принять наибольшую плотность коммутации при наименьших массогабаритных показателях, то целесообразно рассматривать КП, получаемые с применением прецизионных технологий формирования коммутации, получения и металлизации переходных отверстий и создания многослойных структур коммутации на основе тонкопленочной технологии с использованием низкоматериалоемких пленочных диэлектриков. К таким КП относятся прежде всего гибкие ДПП и гибкие МПП, которые обычно изготавливают на основе полиимидной плёнки, хотя существуют и развиваются другие конструкторско-технологические варианты.
Жёстко-гибкие конструкции ППпозволяют 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 кабелисостоят 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 платыотличаются 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.