Совершенствование технического процесса изготовления печатной платы электронного блока

3.4 Совершенствование технического процесса изготовления печатной платы электронного блока

3.4.1 Выбор типа конструкции печатной платы, класса точности, шага координатной сетки

Печатная плата (ПП) – это основа печатного монтажа электронной аппаратуры, при котором микросхемы (МС), полупроводниковые приборы, электрорадиоэлементы (ЭРЭ) и элементы коммутации устанавливаются на изоляционное основание с системой токопроводящих полосок металла (проводников), которыми они электрически соединяются между собой в соответствии с электрической принципиальной схемой.

Виды печатных платы по конструкторскому исполнению: а) односторонние печатные платы: 1) платы на плоском слоистом диэлектрике; 2) платы на рельефном литом диэлектрике; 3) платы без металлизации отверстий; 4)-платы с металлизацией отверстий. Эти платы более надежны в эксплуатации т.к. обеспечивается лучшее сцепление навесных ИМС и ЭРЭ с печатными проводниками и с основной платой.

б) двухсторонние печатные платы:

1) платы на диэлектрическом основании;

2) платы на металлической подложке. Они применяются тогда, когда нужно обеспечить отвод тепла при размещении на плате тепловыделяющих ЭРЭ, полупроводниковых приборов и ИМС большей мощности;

3) многослойные печатные платы – это платы, которые состоят из чередующихся слоёв изоляционного материала и проводящего рисунка. Рисунок соединяется между собой прокладками в монолитную структуру путём прессования;

4) платы на слоистых пластиках;

5)-платы на керамическом основании. На эти платы методом трафаретной печати наносят проводники. При температуре около 700 градусов происходит вжигание проводников и резисторов в основание, предварительно обожженное при температуре 1600 ⁰С. В результате получается прочная, керамическая, химически инертная монолитная структура со стабильными параметрами и относительно высокой теплопроводностью;

6) платы без межслойных соединений;

7) платы с межслойными соединениями.

г) гибкие печатные платы:

1) гибкие платы. Они используются в конструкциях, где подвергаются постоянному или периодическому воздействию напряжения изгиба. Поэтому одна из важнейших характеристик гибких печатных плат - высокая устойчивость диэлектрических материалов к механическим воздействиям, т.е. к отслоению печатных проводников от основания;

2) гибкие шлейфы и кабели.

д) проводные печатные платы:

1) платы с печатным рисунком;

2) платы с печатными элементами.

ГОСТ 23751-86 распространяется на односторонние печатные платы (ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП) печатные платы, также данный стандарт распространяется на гибкие печатные кабели (ГПК).

Основными достоинствами печатных плат являются:

– увеличение плотности монтажа и возможность микроминиатюризации изделий;

– гарантированная стабильность электрических характеристик;

– повышенная стойкость к климатическим и механическим воздействиям;

– унификация и стандартизация конструктивных изделий;

– возможность комплексной автоматизации монтажно-сборочных работ.

Настоящим стандартом устанавливают пять классов точности печатных плат в соответствии со значениями основных параметров и предельных отклонений элементов конструкции (оснований ПП, проводников, контактных площадок, отверстий).

Размеры и предельные отклонения ПП, устанавливаемые ГОСТом, обязательны для следующих методов проектирования:

– ручного;

– автоматизированного;

– полуавтоматизированного.

Они должны обеспечивать автоматизацию установки изделий электронной техники (ИЭТ).

При ручном методе конструирования размещение элементов на печатной плате и трассировку печатных проводников осуществляет непосредственно конструктор. Данный метод обеспечивает оптимальное распределение проводящего рисунка.

Полуавтоматизированный метод предполагает размещение навесных изделий электронной техники с помощью ЭВМ и ручная трассировка, или ручное размещение изделий электронной техники и автоматизированная трассировка. Этот метод обеспечивает более высокую производительности в сравнении с ручным методом.

Автоматизированный метод предусматривает кодирование исходных данных, размещение навесных элементов и трассировку печатных проводников с использованием ЭВМ. Допускается доработка отдельных соединений вручную.

Материалы для печатных плат выбирают по ГОСТ 10316-78 или по ТУ. Выбор материала основания производят с учетом обеспечения физико-механических и электрических параметров печатной платы во время воздействия механических нагрузок, климатических факторов и возможных химически агрессивных сред.

В качестве конструкционных материалов печатных плат обычно используют фольгированные и нефольгированые слоистые диэлектрики (пластики) различного типа и толщины.

Фольгированые диэлектрики представляют собой электроизоляционные основания, плакированные обычно электролитической медной фольгой с оксидированным гальваностойким слоем, прилегающим к электроизоляционному основанию. В зависимости от назначения фольгированные диэлектрики могут быть односторонние Ии двусторонние и иметь толщину от 0,06 до 3,0 мм.

Нефольгированые диэлектрики, предназначенные для полуаддитивного и аддитивного методов производства плат, имеют на поверхности специально нанесенный адгезивный слой, который служит для лучшего сцепления химически осаждаемой меди с диэлектриком.

ОСТ 4.010.022-85 рекомендует также применение следующих марок фольгированых диэлектриков:

– диэлектрик фольгированый самозатухающий (ДФС-1, ДФС-2);

– диэлектрик фольгированый общего назначения (ДФО-1, ДФО-2)- для ОПП и ДПП;

– стеклотекстолит с двусторонним адгезивным слоем (СТЕК)- для ДПП, изготавливаемых по аддитивной технологии;

–-стеклотекстолит теплостойкий для изготовления плат по полуаддитивной технологии (СТПА-5-1, СТПА-5-2)- для ОПП, ДПП и МПП с высокой плотностью проводящего рисунка.

Из других материалов, используемых при изготовлении печатных план, наиболее широко применяются никель и серебро в качестве металлического резиста, для обеспечения пайки и сварки. Кроме того, используется целый ряд других металлов и сплавов. Например, олово-висмут, олово-индий, олово-никель и т.д. Их назначение - обеспечение избирательной защиты или низкого контактного сопротивления, улучшение режимов пайки. Дополнительные покрытия, увеличивающие электропроводность печатных проводников, в большинстве случаев выполняют гальваническим осаждением, реже - способами вакуумной металлизации и горячего лужения.

В керамических основаниях в качестве исходных материалов широко применяются оксиды алюминия и бериллия, а также нитрид алюминия и карбид кремния.

Перспективно применение в печатных платах основания со сложной составной структурой, включая металлические прокладки, а также оснований из термопластиков.

Печатная плата электронного модуля «Блок контроля четности» первой группы жесткости. Платы первой группы жесткости имеют диапазон рабочих температур от минус 25⁰С до плюс 55⁰С и обеспечивают надежную работу при относительной влажности до 75%, помимо этого характеризуются высокой стойкостью к повышенному давлению. Данное условие очень важно для исследуемого предприятия, так как в цехах высокая температура и использование предлагаемой платы позволит организовать бесперебойную, эффективную работу, повышающую конкурентоспособность продукции и как следствие конкурентоспособность предприятия. На ПП реализуется схема, сложность которой позволяет применить двухстороннюю печатную плату. Трассировка платы ведется по двум сторонам, что упрощает разводку проводников и позволяет уменьшить размеры печатной платы. Двухсторонние печатные платы изготавливают преимущественно комбинированным позитивным методом. Возможность технологического оборудования и экономические критерии позволяют использовать такой тип.

Физико-механические свойства материалов должны обеспечивать качественное изготовление ПП в соответствии с типовыми ТП. Для изготовления плат применяется слоистые пластики, в том числе фольгированные диэлектрики, плакированные электролитической медной фольгой толщиной 5, 20, 35, 50, 70 и 105 мкм с чистотой меди не менее 99,5%, шероховатостью поверхности не менее 0,4-0,5 мкм, которые поставляются в виде листов размерами 500x700 мм и толщиной 0,06-3 мм.

В качестве основы в слоистых пластиках используются стеклотекстолиты – спрессованные слои стеклоткани, пропитанные эпоксифенольной смолой и другие материалы. Они отличаются широким диапазоном рабочих температур, низким водопоглощением, высокими значениями объемного и поверхностного сопротивлений, стойкостью к короблению. Смолы определяют практически все электрические и механические характеристики материала.

  3.4.2 Выбор метода изготовления печатной платы

Метод изготовления печатной платы зависит от назначения конструкции, условий ее эксплуатации, от материала диэлектрика и т.д.

В настоящее время печатные платы изготавливаются двумя принципиально отличными методами:

нанесение проводников на плату изоляционного материала осаждением или прессованием токопроводящего слоя;

нанесением на металлическую фольгу, полностью покрывающее изоляционное основание, кислотоупорной краской или фотоспособом рисунка схемы с последующим вытравливанием металла, не покрытого краской.

Методы изготовления печатных плат классифицируются по способам получения токопроводящего покрытия и по способам изображения печатных проводников. Изготовление печатных плат состоит из ряда технологических операций, позволяющих образовать токопроводящее покрытие на изоляционном основании с рисунком печатного монтажа.

Широкое распространение получили три метода создания токопроводящего слоя:

- химический, при котором производится вытравливание незащищенных участков фольги, предварительно наклеенной на диэлектрик. Наиболее распространенный травитель – хлорное железо FeCl3;

- электрохимический, при котором методом химического осаждения создается слой металла толщиной 1-2 мкм, наращиваемый гальваническим методом до нужной толщины. При этом методе одновременно с проводниками металлизируются стенки отверстий, расположенных на разных сторонах платы;

- комбинированный метод, сущность которого состоит в сочетании химического и электрохимического методов. При использовании данного метода проводники получают травлением фольги, а металлизированные отверстия – электрохимическим методом.

В данном проекте был выбран химический метод. Он заключается в том, что на основание печатной платы наносится слой проводящей фольги (медной), лишние участки которой потом вытравливаются. При таком методе проводящий слой имеет одинаковую толщину на всей поверхности платы и хорошо прикреплен к основанию.

  3.4.3 Выполнение трассировки печатной платы (топологическое проектирование)

Топологическое проектирование ПП – размещение элементов и трассировка печатных проводников. Исходным параметром при трассировке является шаг координатной сетки. Размещение отверстий и других элементов печатного рисунка производится в соответствии с принятым при разработке печатного узла расположением навесных элементов их выводов.

Центры отверстий и контактных площадок располагают в узлах сетки. Центры монтажных отверстий под неформуемые выводы многовыводных ИЭТ, межцентровые расстояния которых не кратны шагу координатной сетки, следует располагать так, чтобы минимум один центр монтажного отверстия находился в узле координатной сетки.

Отверстия следует располагать так, чтобы расстояние между его и краем ПП было не меньшим, чем толщина ПП. Номинальные размеры диаметров металлизированных, неметаллизированных монтажных и переходных отверстий рекомендуется брать по ГОСТ 10317-79, ОСТ 4.010.030-81 и ОСТ 4.ГО.010.009-84.

При топологическом проектировании рекомендуется выбирать наименьшее возможное количество типоразмеров отверстий ПП (упрощение технологического процесса и уменьшение конечной стоимости печатной платы).

На плате также необходимо предусмотреть не менее 2 отверстий с диаметром более 1,3 мм, расположенные в узлах координатной сетки по углам ПП, которые могут быть использованы как монтажные отверстия. По краям платы необходимо оставить свободную полосу – вспомогательный участок, для технологических целей, который не занят проводящим рисунком и ИЭТ. На этом участке могут располагать контрольные точки, разъемы, элементы крепления печатной платы. Размер участка должен варьироваться от 2,5 до 10 мм.

При трассировке прокладывают линии соединения между контактными площадками в соответствии со схемой с учетом конструктивных, электрических и технологических ограничений. Линии проводящего рисунка должны проходить по линиям координатной сетки, либо, если это не возможно, - под углом 45 градусов. При ортогональном расположении проводников минимизируется взаимное влияние проводников друг на друга и упрощается процесс их разводки.

Одной из важнейших задач при трассировке является достижение минимального количества пересечений проводников и их длинны. Это обеспечивает технологичность процесса, а в случае с МПП – меньшее количество слоев, что, в конечном счете, скажется на стоимости ПП.

Выбор варианта установки навесных элементов, в том числе под автоматическую установку, осуществляют в соответствии с ГОСТ 29137-91

При разработке печатных плат необходимо придерживаться некоторых требований ОСТ 4.101.022-85:

а) Стороны печатной платы должны быть параллельны линиям координатной сетки;

б) Отверстия располагаются в узлах координатной сетки;

в) Взаимное расположение монтажных отверстий должно соответствовать ОСТ 4.010.030-81.

В настоящее время для трассировки ПП используют различные системы автоматизированного проектирования (САПР). Наиболее производительные и удобные в использование – P-CAD, OrCAD и т.п. САПР значительно сокращают время разработки печатной платы, что снижает ее стоимость, при этом используются наиболее рациональные методы, что повышает качество конечного продукта.

Результатом проекта является разработанная односторонняя печатная плата блока электронного.

Плата изготовляется химическим методом (травление проводников) Класс точности выполнения печатных элементов конструкции ПП – I. Габаритные размеры ПП – 60´90 мм.

Установка навесных элементов на ПП осуществляется согласно ОСТ 4.010.030-81.Материал, выбранный для изготовления – гетинакс ГФ-1-35-1.5 ГОСТ 10316-78. Преимущество гетинаксов заключается в том, что они легко поддаются механической обработке, поэтому возможна организация серийного и массового производства.