.

Материалы для печатных плат

Печатная плата (англ. printed circuit board, PCB, или printed wiring board, PWB) — пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.
В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги, целиком расположенной на твердой изолирующей основе. Печатная плата содержит монтажные отверстия и контактные площадки для монтажа выводных или планарных компонентов. Кроме того, в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения участков фольги, расположенных на разных слоях платы. С внешних сторон на плату обычно нанесены защитное покрытие («паяльная маска») и маркировка (вспомогательный рисунок и текст согласно конструкторской документации).

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на:

  •     односторонние (ОПП): имеется только один слой фольги, наклеенной на одну сторону листа диэлектрика.
  •     двухсторонние (ДПП): два слоя фольги.
  •     многослойные (МПП): фольга не только на двух сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика. Многослойные печатные платы получаются склеиванием нескольких односторонних или двухсторонних плат

По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа, увеличивается количество слоёв на платах]. По свойствам материала основы:

  •     Жёсткие
  •    Теплопроводные
  •     Гибкие

Печатные платы могут иметь свои особенности, в связи с их назначением и требованиями к особым условиям эксплуатации (например, расширенный диапазон температур) или особенности применения (например, платы для приборов, работающих на высоких частотах).
Материалы  Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как стеклотекстолит, гетинакс. Также основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие печатные платы применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. При этом металлическое основание платы крепится к радиатору. В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д)[2], и керамика.
Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.

Гетинакс применяют при средних условиях эксплуатации.

  • Достоинства : дешево, меньше сверлить, интеграция в нагретом состоянии.
  • Недостатки: может расслаиваться при механической обработке, может впитывать влагу, понижает свои диэлектрические свойства и коробится.

Лучше использовать гетинакс облицованный гольваностойкой фольгой.

Фольгированный стеклотекстолит – получают прессованием, пропитывание эпоксидной смолой слоев стеклоткани и приклеенной поверхностной пленки ВФ-4Р медной электротехнической фольги толщиной 35-50 микрон.

  • Достоинства: хорошие диэлектрические свойства.
  • Недостатки: дорого в 1,5-2 раза.

Применяют для односторонних и двусторонних плат. Для многослойных ПП применяются тонкие фольгированные диэлектрики ФДМ-1, ФДМ-2 и полугибкие РДМЭ-1. Основой таких материалов служит пропитывающий эпоксидный слой стеклоткани. Толщина электротехнической меди гольваностойкой фольги 35,18 микрон.  Для изготовления многослойных ПП используется прокладочная ткань, например СПТ-2 толщиной 0,06-0,08 мм, является нефольгированным материалом.

Изготовление  Изготовление ПП возможно аддитивным или субтрактивным методом. В аддитивном методе проводящий рисунок формируется на нефольгированном материале путём химического меднения через предварительно нанесённую на материал защитную маску. В субтрактивном методе проводящий рисунок формируется на фольгированном материале путём удаления ненужных участков фольги. В современной промышленности применяется исключительно субтрактивный метод.
Весь процесс изготовления печатных плат можно разделить на четыре этапа:

  •     Изготовление заготовки (фольгированного материала).
  •     Обработка заготовки с целью получения нужных электрического и механического вида.
  •     Монтаж компонентов.
  •     Тестирование.

Часто под изготовлением печатных плат понимают только обработку заготовки (фольгированного материала). Типовой процесс обработки фольгированного материала состоит из нескольких этапов: сверловка переходных отверстий, получение рисунка проводников путем удаления излишков медной фольги, металлизация отверстий, нанесение защитных покрытий и лужение, нанесение маркировки.[7] Для многослойных печатных плат добавляется прессование конечной платы из нескольких заготовок.

Фольгированный материал — плоский лист диэлектрика с наклеенной на него медной фольгой. Как правило, в качестве диэлектрика используют стеклотекстолит. В старой или очень дешевой аппаратуре используют текстолит на тканевой или бумажной основе, иногда именуемый гетинаксом. В СВЧ устройствах используют фторсодержащие полимеры (фторопласты). Толщина диэлектрика определяется требуемой механической и электрической прочностью, наибольшее распространение получила толщина 1,5 мм. На диэлектрик с одной или двух сторон наклеивают сплошной лист медной фольги. Толщина фольги определяется токами, под которые проектируется плата. Наибольшее распространение получила фольга толщиной 18 и 35 мкм, гораздо реже встречаются 70, 105 и 140 мкм. Такие значения исходят из стандартных толщин меди в импортных материалах, в которых толщина слоя медной фольги исчисляется в унциях (oz) на квадратный фут. 18 мкм соответствует ½ oz и 35 мкм — 1 oz.

Алюминиевые печатные платы Отдельную группу материалов составляют алюминиевые металлические печатные платы.] Их можно разделить на две группы.

  • Первая группа — решения в виде листа алюминия с качественно оксидированной поверхностью, на которую наклеена медная фольга. Такие платы нельзя сверлить, поэтому обычно их делают только односторонними. Обработка таких фольгированных материалов выполняется по традиционным технологиям химического нанесения рисунка. Иногда вместо алюминия применяют медь или сталь, ламинированные тонким изолятором и фольгой. Медь имеет большую теплопроводность, нержавеющая сталь платы обеспечивает коррозионную стойкость.
  • Вторая группа подразумевает создание токопроводящего рисунка непосредственно в алюминии основы. Для этой цели алюминиевый лист оксидируют не только по поверхности, но и на всю глубину основы, согласно рисунку токопроводящих областей, заданному фотошаблоном. 

Получение рисунка проводников  При изготовлении плат используются химические, электролитические или механические методы воспроизведения требуемого токопроводящего рисунка, а также их комбинации.

Химический способ изготовления печатных плат из готового фольгированного материала состоит из двух основных этапов: нанесение защитного слоя на фольгу и травление незащищенных участков химическими методами. В промышленности защитный слой наносится фотолитографическим способом с использованием ультрафиолетово-чувствительного фоторезиста, фотошаблона и источника ультрафиолетового света. Фоторезистом сплошь покрывают медь фольги, после чего рисунок дорожек с фотошаблона переносят на фоторезист засветкой. Засвеченный фоторезист смывается, обнажая медную фольгу для травления, незасвеченный фоторезист фиксируется на фольге, защищая её от травления.

Фоторезист бывает жидким или пленочным. Жидкий фоторезист наносят в промышленных условиях, так как он чувствителен к несоблюдению технологии нанесения. Пленочный фоторезист популярен при ручном изготовлении плат, однако он дороже. Фотошаблон представляет собой УФ-прозрачный материал с распечатанным на нём рисунком дорожек. После экспозиции фоторезист проявляется и закрепляется как и в обычном фотохимическом процессе. В любительских условиях защитный слой в виде лака или краски может быть нанесен шелкотрафаретным способом или вручную. Радиолюбители для формирования на фольге травильной маски применяют перенос тонера с изображения, отпечатанного на лазерном принтере («лазерно-утюжная технология»). Под травлением фольги понимают химический процесс перевода меди в растворимые соединения. Незащищенная фольга травится, чаще всего, в растворе хлорного железа или в растворе других химикатов, например медного купороса, персульфата аммония, аммиачного медно-хлоридного, аммиачного медно-сульфатного, на основе хлоритов, на основе хромового ангидрида. При использовании хлорного железа процесс травления платы идет следующим образом: FeCl3+Cu → FeCl2+CuCl. Типовая концентрация раствора 400 г/л, температура до 35°С. При использовании персульфата аммония процесс травления платы идет следующим образом: (NH4)2S2O8+Cu → (NH4)2SO4+CuSO4].После травления защитный рисунок с фольги смывается.

Механический способ изготовления предполагает использование фрезерно-гравировальных станков или других инструментов для механического удаления слоя фольги с заданных участков.

До недавнего времени лазерная гравировка печатных плат была слабо распространена в связи с хорошими отражающими свойствами меди на длине волны наиболее распространенных мощных газовых СО лазеров. В связи с прогрессом в области лазеростроения сейчас начали появляться промышленные установки прототипирования на базе лазеров.

Металлизация отверстий Переходные и монтажные отверстия могут сверлиться, пробиваться механически (в мягких материалах типа гетинакса) или лазером (очень тонкие переходные отверстия). Металлизация отверстий обычно выполняется химическим или механическим способом.
Механическая металлизация отверстий выполняется специальными заклепками, пропаянными проволочками или заливкой отверстия токопроводящим клеем. Механический способ дорог в производстве и потому применяется крайне редко, обычно в высоконадежных штучных решениях, специальной сильноточной технике или радиолюбительских условиях.
При химической металлизации в фольгированной заготовке сначала сверлятся отверстия, затем они металлизируются и только потом производится травление фольги для получения рисунка печати. Химическая металлизация отверстий — многостадийный сложный процесс, чувствительный к качеству реактивов и соблюдению технологии. Поэтому в радиолюбительских условиях практически не применяется. Упрощенно состоит из таких этапов:

  •     Нанесение на диэлектрик стенок отверстия проводящей подложки. Эта подложка очень тонкая, непрочная. Наносится химическим осаждением металла из нестабильных соединений, таких как хлорид палладия.
  •     На полученную основу производится электролитическое или химическое осаждение меди.

    В конце производственного цикла для защиты довольно рыхлой осажденной меди применяется либо горячее лужение, либо отверстие защищается лаком (паяльной маской). Нелуженые переходные отверстия низкого качества являются одной из самых частых причин отказа электронной техники.

Многослойные платы (с числом слоев металлизации более 2) собираются из стопки тонких двух- или однослойных печатных плат, изготовленных традиционным способом (кроме наружных слоев пакета — их пока оставляют с нетронутой фольгой). Их собирают «бутербродом» со специальными прокладками (препреги). Далее выполняется прессование в печи, сверление и металлизация переходных отверстий. В последнюю очередь делают травление фольги внешних слоев.
Переходные отверстия в таких платах могут также делаться до прессования. Если отверстия делаются до прессования, то можно получать платы с так называемыми глухими отверстиями (когда отверстие есть только в одном слое бутерброда), что позволяет уплотнить компоновку.

Возможны такие покрытия как:

  •     Защитно-декоративные лаковые покрытия («паяльная маска»). Обычно имеет характерный зелёный цвет. При выборе паяльной маски следует учитывать, что некоторые из них непрозрачны и под ними не видно проводников.
  •     Декоративно-информационные покрытия (маркировка). Обычно наносится с помощью шелкографии, реже — струйным методом или лазером.
  •     Лужение проводников. Защищает поверхность меди, увеличивает толщину проводника, облегчает монтаж компонентов. Обычно выполняется погружением в ванну с припоем или волной припоя. Основной недостаток — значительная толщина покрытия, затрудняющая монтаж компонентов высокой плотности. Для уменьшения толщины излишек припоя при лужении сдувают потоком воздуха.
  •     Химические, иммерсионные или гальванические покрытия фольги проводников инертными металлами (золотом, серебром, палладием, оловом и т.п.). Некоторые виды таких покрытий наносятся до этапа травления меди.
  •     Покрытие токопроводящими лаками для улучшения контактных свойств разъемов и мембранных клавиатур или создания дополнительного слоя проводников.

После монтажа печатных плат возможно нанесение дополнительных защитных покрытий, защищающих как саму плату, так и пайку и компоненты.
Механическая обработка На одном листе заготовки зачастую помещается множество отдельных плат. Весь процесс обработки фольгированной заготовки они проходят как одна плата, и только в конце их готовят к разделению. Если платы прямоугольные, то фрезеруют несквозные канавки, облегчающие последующее разламывание плат (скрайбирование, от англ. scribe царапать). Если платы сложной формы, то делают сквозную фрезеровку, оставляя узкие мостики, чтобы платы не рассыпались. Для плат без металлизации вместо фрезеровки иногда сверлят ряд отверстий с маленьким шагом. Сверление крепежных (неметаллизированных) отверстий также происходит на этом этапе.