Печатные платы радиоэлектронной аппаратуры

 

1. ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Целью настоящей лабораторной работы является ознакомление студентов с материала и их свойствами для изготовления печатных плат радиотехнических устройств различного назначения.

 

2. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Конструкции большинства радиоэлектронных устройств и систем основаны на применении печатных плат.

Печатные платы - это элементы конструкции, которые состоят из плоских проводников в виде участков металлизированного по­крытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение элементов электрической цепи. Они получили широкое распространение в производстве модулей, ячеек и блоков РЭА благодаря следующим преимуществам по сравнению с традиционным объемным монтажом проводниками и кабелями:

· повышение плотности размещения компонентов и плотности монтажных соединений, возможность существенного уменьшения габаритов и веса изделий;

· получение печатных проводников, экранирующих поверхностей и электро- и радиодеталей (ЭРЭ) в одном технологическом цикле;

· гарантированная стабильность и повторяемость электрических характеристик (проводимости, паразитных емкости и индуктивности);

· повышение быстродействия и помехозащищенности схем;

· повышенная стойкость и климатическим и механическим воздействиям;

· унификация и стандартизация конструктивных и технологических решений;

· увеличение надежности узлов, блоков и устройства в целом;

· улучшение технологичности за счет комплексной автоматизации монтажно-сборочных и контрольно-регулировочных работ;

· снижение трудоемкости, материалоемкости и себестоимости.

К недостаткам следует отнести сложность внесения изменений в конструкцию и ограниченную ремонтопригодность.

При разработке конструкции печатных плат решаются следующие задачи:

· схемотехнические - трассировка печатных проводников, минимизация количества слоев и т.д.;

· радиотехнические - расчет паразитных наводок, параметров линий связи и т.д.;

· теплотехнические - температурный режим работы печатной платы, теплоотвод и т.д.;

· конструктивные - размещение элементов на печатной плате, контактирование и т.д.;

· технологические - выбор меда изготовления, защита и т.д.

Все эти задачи взаимосвязаны между собой. Например, от метода изготовления зависят точность размеров проводников и их электрические характеристики, а от расположения печатных проводников - степень влияния их друг на друга и т.д.

Элементами ПП являются диэлектрическое основание, металлическое покрытие в виде рисунка печатных проводников и кон­тактных площадок, монтажные и фиксирующие отверстия.

 

2.1. Общие требования к печатным платам

Диэлектрическое основание ПП должно быть однородным по цвету, монолитным по структуре и не иметь внутренних пузырей и раковин, посторонних включений, сколов, трещин и расслоений. Допускаются одиночные вкрапления металла, царапины, следы от удаления одиночных невытравленных участков, проявление структуры материала, которые не ухудшают электрических параметров ПП и не уменьшают минимально допустимых расстояний между элементами проводящего рисунка.

Проводящий рисунок ПП должен быть четким, с ровными краями, без вздутий, отслоений, разрывов, следов инструмента и остатков технологических ма­териалов. Допускаются: отдельные местные протравы не более 5 точек на 1 дм² ПП при условии, что оставшаяся ширина проводника соответствует минимально, допустимой по чертежу; риски глубиной не более 25 мкм и длиной до 6 мм; остатки металлизации на участках ПП, не уменьшающие допустимых расстояний между элементами.

Для повышения коррозионной стойкости и улучшения паяемости на поверхность проводящего рисунка наносят электролитическое покрытие, которое должно быть сплошным, без разрывов, отслоений и подгаров. В отдельных случаях допускаются: участки без покрытия площадью не более 2 мм² на 1 проводник, но не более 5 на плате; местные наросты высотой не более 0,2 мм; потемнение и неоднородность цвета покрытия, не ухудшающие паяемость; отсутствие покрытия на торцах проводников. При наличии на печатных проводниках критических дефектов их дублируют объемными (не более 5 проводников для плат размером до 120х180 мм и 10 проводников для плат размером свы­ше 120х180 мм).

Монтажные и фиксирующие отверстия должны быть расположены в соответствии с требованиями чертежа и иметь допустимые отклонения, определяемые классом точности ПП. Для повышения надежности паяных соединений внутреннюю поверхность монтажных отверстий покрывают слоем меди толщиной не менее 25 мкм. Покрытие должно быть сплошным, без включений, пластичным, с мелкокристаллической структурой и прочно сцепленным с диэлектрическим основанием. Оно должно выдержать токовую нагрузку 250 А/мм² в течение 3 с при нагрузке на контакты 1-1,5 Н и три-четыре перепайки выводов без изменения внешнего вида, подгаров и отслоений. После циклического воздействия изменения температур сопротивление перехода металлизированного отверстия не должно отличаться более чем на 20% от значения сопротивления в нормальных климатических условиях. Допускаются в отверстиях точечные неметаллизированные участки диаметром не более 0,2 мм. Число таких отверстий на плате не должно превышать 0,3% от общего числа. При недопустимом повреждении металлизированные отверстия восстанавливают с помощью пустотелых заклепок, и их число не должно превышать 2% от общего числа отверстий, но не более 10 шт. на ПП. Переходные несквозные металлизированные отверстия между наружными и внутренними слоями МПП должны быть заполнены смолой в процессе прессования, которая не должна иметь газовых включений и натекать на контактные площадки.

Контактные площадки представляют собой участки металлического покрытия, которые соединяют печатные проводники с металлизацией монтажных отверстий. Их площадь должна быть такой, чтобы не было разрывов при сверлении и остался гарантийный поясок меди шириной не менее 50 мкм. Разрывы контактных площадок не допускаются, так как при этом уменьшаются токонесущая способность проводников и адгезия к диэлектрику. Допускается частичное отслоение отдельных (до 2%) контактных площадок вне зоны проводников и их ремонт с помощью эпоксидного клея. Контактные площадки монтажных отверстий должны равномерно смачиваться припоем за время 3-5 с и выдержи­вать не менее трех (МПП—двух) перепаек без расслоения диэлектрика, вздутий и отслаивания.

Технологический процесс изготовления ПП не должен ухудшать электрофизические и механические свойства применяемых конструкционных материалов. Сопротивление изоляции между двумя рядом расположенными элементами ПП при минимальном расстоянии между ними 0,2-0,4 мм не должно быть для стеклотекстолита меньше:

а) 10000 МОм при нормальных климатиче­ских условиях (температура 25±1°С, относительная влажность 65±15%, атмосферное давление 96-104 кПа);

б) 1000 МОм после воздействия (2 ч) температуры 60±2°С, и 300 МОм после воздействия (2 ч) температуры ±85±2°С;

в) 20 МОм после пребывания 4 сут. в камере с относительной влажностью 93±3% при температуре 40±2°С, 5 Мом - после 10 сут., и 1 Мом - после 21 сут.

Восстановление первоначального значения сопротивления изоляции должно происходить в течение суток.

Электрическая прочность изоляции элементами проводящего рисунка не нарушается при напряжениях:

- 700 В в нормальных условиях;

- 500 В после воздейст­вия относительной влажности 93±3% при температуре 40±2 С в течение 2 сут.;

- 350 и 150 В после воздействия пониженного давления 53,6 и 0,67 кПа соответственно.

Для внутренних слоев МПП указанные значения испытательного напряжения увеличиваются на 15 %.

В процессе производства возникает деформация ПП, которая приводит к их изгибу и скручиванию. Величина деформации определяется механической прочностью фольгированных диэлектриков, характером напряженного состояния после стравливания фольги, правильностью режимов нагрева и охлаждения. На платах толщиной 0,8 мм и менее деформация не контролируется, при толщинах 1,5-3 мм деформация на 100 мм длины не должна превышать: для двуслойных плат на стеклотекстолите 0,8 мм, на гетинаксе 0,9 мм; для однослойных на стеклотекстолите 0,9 мм, на гетинаксе 1,5 мм. При воздействии на ПП повышенной температуры 260-290 °С в течение 10 с не должно наблюдаться разрывов проводящего покрытия, отслоений от диэлектрического основания.

 

2.2. Основные виды печатных плат и особенности их конструкций

В зависимости от числа нанесенных печатных проводящих слоев печатные платы разделяются на одно- двух- и многослойные. Первые два типа называют также одно- и двусторонними.

Односторонние печатные платы (ОПП) выполняются на слоистом прессованном или рельефном литом основании без металлизации или с металлизацией монтажных отверстий. Платы на слоистом диэлектрике просты по конструкции и экономичны в изготовлении. При невозможности стопроцентной разводки печатных проводников применяются навесные перемычки. Их применяют для монтажа бытовой радиоаппаратуры, блоков питания, устройств техники связи, в простой РЭА и вспомогательной аппаратуре. Низкие затраты, высокую технологич­ность и нагревостойкость имеют рельефные литые ПП, на одной стороне которых расположены элементы печатного монтажа, а на другой - объемные элементы (корпуса соедините­лей, периферийная арматура для крепления деталей и ЭРЭ, теплоотводы и др.). В этих платах за один технологический цикл получается вся конструкция с монтажными отверстиями и специальными углублениями для расположения ЭРЭ, монтируемых на поверхность. В настоящее время технология рельефных ПП интенсивно развивается.

Двусторонние печатные платы (ДПП) имеют проводящий рисунок на обеих сторонах диэлектрического или металлического основания и обеспечивают высокую плотность установки компонентов и трассировки. Переходы проводников из слоя в слой осуществляются через металлизированные переходные отверстия. Платы допускают как монтаж компонентов на поверхности, в том числе с двух сторон, так и монтаж компонентов с осевыми и штыревыми выводами в металлизированные отверстия. ДПП являются самой распространенной разновидностью ПП в производстве модулей РЭА, используются в измерительной технике, системах управления и автоматического регулирования. Расположение элементов печатного монтажа на металлическом основании позволяет решить проблему теплоотвода в сильноточной аппаратуре.

Многослойные печатные платы (МПП) состоят из чередующихся слоев изоляционного материала с проводящими рисунками на двух или более слоях, между которыми выполнены требуемые соедине­ния, соединенных клеевыми прокладками в монолитную структуру путем прессования. Электрическая связь между проводящими слоями выполняется специальными объемными деталями, печатными элементами или химико-гальванической металлизацией. По сравнению с ОПП и ДПП они характеризуются повышенной надежностью и плотностью монтажа, устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям, уменьшением размеров и числа контактов. Однако большая трудоемкость изготовления, высокая точность рисунка и совмещения отдельных слоев, необходимость тщательного контроля на всех операциях, низкая ремонтопригодность, сложность технологического обору­дования и высокая стоимость позволяют применять МПП только для тщательно отработанных конструкций радиоэлектронной аппаратуры.

В РЭА применяются также гибкие печатные платы (ГПП), выполненные конструктивно как ОПП или ДПП, но на эластичном основании толщиной 0,1-0,5 мм. Они применяются в тех случаях, когда плата после изготовления подвергается вибра­циям, многократным изгибам или после установки ЭРЭ ей необходимо придать изогнутую форму. Разновидностью ГПП являются гибкие печатные кабели (ГПК), которые состоят из одного или нескольких непроводящих слоев с размещенными печатными проводниками. Толщина ГПК колеблется от 0,06 до 0,3 мм. Они применяются для ­соединений узлов и блоков РЭА, занимают меньшие объемы и легче круглых жгутов и кабелей, а их производство может осуществляться непрерывно на рулонном материале.

По виду материала основы ПП разделяют на

· изготовленные на основе органического диэлектрика (текстолит, гетинакс, стеклотекстолит);

· изготовленные на основе керамических материалов;

· изготовленные на основе металлов.

По виду соединений между слоями различают ПП с металлизированными отверстиями, с пистонами, изготовленные послойным наращиванием, с открытыми контактными площадками.

По способу изготовления ПП разделяют на платы, изготовленные химическим травлением, электрохимическим осаждением, комбинированным способом.

По способу нанесения проводников ПП делят на платы, полученные обработкой фольгированных диэлектриков, нанесением тонких токопроводящих слоев. Последний способ хорошо отработан на технологии гибридных схем.

Широкое распространение получают МПП на керамической основе. По сравнению с органическими диэлектриками керамика позволяет улучшить теплоотвод, повысить плотность компоновки микросхем (особенно с использованием микрокорпусов). К недостаткам керамических МПП следует отнести их большую массу и небольшие максимальные линейные размеры (ограничены технологией порядка 150 х 150 мм).

Металлические ПП изготавливаются на основе стальных, алюминиевых и инваровых листов. Пластины окисляются и покрываются слоем керамики, эмали, лака или другого диэлектрика. Поверх наносятся печатные проводники, пленочные резисторы, конденсаторы, индуктивности, а затем монтируются микросхемы (как правило, бескорпусные). Преимущества - сравнительно невысокая стоимость, неограниченные размеры, высокая теплопроводность, высокая помехозащищенность, высокая прочность и теплостойкость. Недостатки - высокая удельная емкость проводников и большая масса.

 

2.3. Материалы печатных плат

Заготовки для жестких печатных плат представляют собой несколько спрессованных слоев стекловолокна (обычно 8 слоев), покрытых медной фольгой. Пространство между слоями заполнено наполнителем. Самый простой способ расположения стеклянных волокон - когда они перпендикулярны друг другу. При различной ориентации волокон в слоях прочностные характеристики материала становятся одинаковыми по всем направлениям. Толщина материала оценивается без учета медной фольги. Толщина фольги одинакова с обеих сторон. Основа: бумага, стекловолокно, керамика, арамид. Наполнитель: фенольная смола, эпоксидная смола, полиэстер, полиимидная смола, бисмалеинимид-триазин, эфир цианата, фторопласт.

Существует множество материалов для печатных плат. Они выполняю роль диэлектрика и различаются своими электрическими, механическими и температурными особенностями. Наиболее важные характеристики, которые учитываются при выборе диэлектрика, являются диэлектрическая постоянная (особенно для высокоскоростных пп) и температура стеклования Tg.

 

 

В большинстве современной радиоаппаратуры в качестве материала печатной платы используется стеклотекстолит FR-4.

 

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

В ходе выполнения лабораторной работы необходимо:

- ознакомиться с теоретическими материалами работы;

- ознакомиться с основными видами материалов их электрическими и механическими характеристиками, особенностями применения в РЭА;

- оформить отчёт о лабораторной работе в соответствии с требованиями кафедры РЭ.

 

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет оформляется индивидуально и содержит:

- титульный лист;

- наименование, цель и содержание работы;

- основные виды материалов печатных плат и их характеристики;

- анализ характеристик материалов и рекомендации по их использованию в аппаратуре различного назначения (мобильная, бытовая, специального назначения)

.

 

5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Пирогова Е. В. Проектирование и технология печатных плат. М.: Форум - Интра-

М, 2005.

2. Цыгин Н. Конференция по печатным платам в С.-Петербурге // Электронные

компоненты. 2001. №5.

3. Галецкий Ф. П. Характеристика современных технологий печатных плат // Тех-

нологическое оборудование и материалы. 2000.