Многослойные печатные платы (МПII).

 

Многослойные печатные платы являются дальнейшим развитием техники печатного монтажа. Их применение позволяет увеличить плотность монтажа, особенно при использовании современных интегральных микроcxeм, и сократить длину соединительных проводников.

В ряде случаев вообще не удается реализовать схему при использо­вании двустороннего печатного монтажа. Так, при использовании быст­родействующих логических схем, обеспечивающих импульсы с фрон­тами порядка единиц наносекунд, нужно между микросхемами иметь короткие соединительныe проводники с малым значением емкости на корпус, так как при большом значении емкости окажется невозможным создать устройство с требуемым быстродействием. В таких случаях схе­му можно построить только с использованием многослойной печатной платы, обеспечивающей минимальную длину соединительных проводников.

Однако МПП обладают по сравнению с одно- и двусторонними пе­чатными платами и рядом недостатков. К их числу относятся:

– боль­шая трудоемкость проектирования;

– необходимость выполнять обработку с более жесткими допусками;

– более длительный технологический цикл и более сложный технологический процесс;

– большая трудоемкость контрольных операций на всех этапах изготовления;

– низкая ремонтоспособность МПП.

Следствием всего этого является высокая стоимость МПП. Поэтому применять их следует только в аппаратуре, к которой предъ­являются жесткие требования по массам и габаритам, когда применение МПП дает существенный выигрыш, или в тех случаях, когда высокое быстродействие микросхем или жесткие требования к экранированию не позволяют осуществить схему на одно- и двусторонних платах.

Любая МПП состоит из нескольких печатных слоев, спрессованных с использованием склеивающих прокладок. Каждый печатный слой – это печатный монтаж, находящийся на изоляционном основании и расположенный в одной плоскости.

Существует несколько методов выполнения МПП, которые можно разбить на две основные группы.

К первой группе относят методы:

– металлизации сквозных отверстий;

– попарного прессования;

– послойного наращивания.

Характерной осо­бенностью этих трех методов является то, что они позволяют получить платы с электрически соединенными проводниками, расположенными в разных слоях.

Ко второй группе относят методы:

– открытых контактных площадок;

– выступающих выводов.

Особенностью плат, полученных этими мето­дами, является то, что проводники, расположенные на разных слоях, не имеют электрического соединения до установки на плату элементов.

Рассмотрим конструктивныe особенности плат, получаемых каждым из этих методов.

 

Метод попарного прессования (рис.5.11). При этом методе используется двусторонний фольгированный диэлектрик.

Для получения каж­дой платы необходимо иметь две заготовки 6 и 9, на каждой из которых комбинированным мето­дом получают печатные провод­ники 2 и 3, расположенные на одной стороне каждой заготовки, и металлизированные отверстия 5 и 10, соединяющие их в требуе­мых местах с монолитной фольгой, расположенной на другой стороне платы. Затем эти две заготовки спрессовывают печатными проводниками внутрь, изолировав их

Рис.5.11. МПП, полученная методом попарного прессования

 

склеивающими прокладками 7 и 8. Суммарная толщина склеиваю­щих прокладок должна быть не менее двух толщин фольги, распо­ложенной на внутренних слоях (это требование относится ко всем рассматриваемым дальше способам). Полученная таким образом промежуточная заготовка имеет по обе стороны монолитную фольгу, в которой сделаны металлизированные отверстия, соединяющие эту фольгу с печатными проводниками, расположенными на ближайшем к ней внутреннем слое. После этого на заготовке комбинированным способом выполняют печатные проводники 1 и 4, расположенные на наружных слоях, и металлизированные отверстия 11, которые соеди­няют эти проводники. В тех местах, где проходят указанные отверс­тия, не должно быть печатных проводников, расположенных на внут­ренних слоях. Каждое металлизированное отверстие на любом слое должно иметь контактную площадку. Характерной особенностью этого метода является то, что все межслойные соединения выполнены с помощью металлизированных отверстий, аналогичных тем, которые исполь­зовались в двусторонних печатных платах. К числу недостатков метода относится то, что он позволяет получить только четырехслойные печатные платы, а в ряде случаев требуется иметь платы с большим числом слоев.

Система межслойных соединений в таких платах оказывается строго регламентированной: можно получить непосредственные соединения только между слоями

1 и 2; 3 и 4; 1 и 4. Как видно из рис. 5.11, соедине­ния между слоями 2 и 3 можно выполнить с помощью проводников, расположенных на слоях 1 и 4. Аналогично для соединения слоев

1 и 3 требуется промежуточный проводник на слое 4. Таким образом, наруж­ные слои имеют проводники и отверстия с контактными площадками, используемые только для межслойных соединений, что исключает воз­можность получения достаточно плотного монтажа.

Межслойные соединения, полученные с использованием металлизи­рованных отверстий, имеющих контактные площадки, обеспечивают высокую надежность таких соединений. К числу преимуществ этого метода относится также его сравнительная простота.

Метод металлизации сквозных отверстий (рис. 5.12). При использовании этого метода заготовки выполняют из фольгированного диэлектрика химическим способом без отверстий, а фольгу на наружных слоях оставляют монолитной.

 

 

Рис. 5.12. МПП, полученная методом металлизации сквозных отверстий.

 

В тех местах, где должны быть полу­чены межслойные соединения, проводники на соответствующих внутренних слоях делают с кон­тактными площадками, располо­женными одна над другой. На других слоях, не соединяемых с указанными, проводники не должны проходить под контакт­ными площадками. После прес­совки с изолирующими проклад­ками получают монолитную заготовку. На ее наружных слоях комбинированным методом делают пачатные проводники и металлизированные отверстия, которые элект­рически соединяют контактные площадки проводников расположен­ные в зоне этих отверстий.

Диаметр контактной площадки на внутренних слоях должен быть не менее 1,5 мм, так как при меньшем диаметре трудно обеспечить совмеще­ние отверстия, которое сверлят в спрессованной плате, с площадкой. Проводники на наружных слоях рекомендуется выполнять по нормам класса 1.

К числу недостатков метода металлизации сквозных отверстий отно­сится малый размер площади контакта между фольгой внутреннего слоя и металлизированной стенкой отверстия. Так как коэффициент линейного расширения металла и изоляционных материалов отличаются как минимум в несколько раз, то при изменении температуры это мо­жет приводить к разрыву соединения между фольгой, расположенной на печатном слое, и металлизированной стенкой отверстия. Для увеличения площади контакта слой целесообразно выполнять из фольги с повышен­ной толщиной (70-100 мкм), что повышает надежность плат, но не всег­да до требуемого значения. В ряде случаев прибегают к специальным технологическим приемам, например к подтравливанию диэлектрика. Для этого плату с просверленными отверстиями перед металлизацией обрабатывают в специальных химических веществах, которые растворяют изоляционные слои в отверстиях, не изменяя диаметра отверстий металлических контактных площадок. После такой обработки площадь контакта между фольгой и металлом отверстия увеличивается в 2­-3 раза.

Иногда применяют платы, в которых кроме сквозных металлизиро­ванных отверстий имеются металлизированные отверстия на отдельных слоях. Эти отверстия могут иметь контактные площадки, обеспечивающие большую площадь соприкосновения металла отверстия с фольгой, что дает высокую надежность соединения. Такая конструкция обеспечивает уменьшение числа сквозных металлизированных отверстий и обеспе­чивает повышенную надежность платы.

При выборе размеров для элементов печатного монтажа необходимо учитывать возможное не совмещение слоев, в результате чего, например, сквозное отверстие может оказаться смещенным относительно центра контактной площадки, через которую оно должно проходить. Совме­щение слоев достаточно сложная технологическая задача. Кроме того, что изображение на каждом слое должно быть выполнено с определен­ной точностью, не должно произойти сдвига слоев в процессе прессовки платы. Чтобы выполнить последнюю задачу, на всех слоях платы по пе­риферии (за пределами габаритов платы) делают технологические от­верстия с шагом порядка 10 см. Для плат с размерами 250 мм и более та­кие отверстия следует делать и в центре платы. При прессовке платы надевают на специальные фиксирующие штыри, которыe проходят через эти отверстия, что уменьшает взаимный сдвиг слоев. Пользуясъ таким способом, можно обеспечить совмещение слоев с погрешностью не более ±125 мкм в пределах всей поверхности платы. В качестве фиксирую­щих отверстий используют те отверстия, которыми плата будет крепиться в аппарате. Если таких отверстий недостаточно, то добавляют специаль­ные. При проектировании печатных плат следует обращать внимание на расстояние между стен­кой металлизированного отверстия и проводником (размер а на рис. 5.12). Если не предпринять специальных мер, то может произой­ти недопустимое уменьшение зазоров или замыкание проводника на стенку отверстия из-за погрешности межцентрового расстояния, смеще­ния слоев, увеличения отверстия при протравливании и др. Номиналь­ное значение указанного расстояния должно быть не менее 0,6 мм. Для исключения ошибок на чертежах слоев следует вокруг отверстий, не имеющих контактных площадок, изображать кольцевую зону и указывать: «эту зону проводниками не занимать». Диаметры отверс­тий следует выдерживать с высокой точностью. Если диаметр отверс­тия очень занижен, то это приведет к увеличению отношения толщины платы к диаметру, в результате чего гальваническое покрытие на стен­ках отверстий будет иметь малую толщину. Если диаметр отверстий очень завышен, то уменьшится расстояние между краем отверстия и проводниками. Обычно на диаметры отверстий устанавливают допуск ±0,10 мм. Слой меди на стенках металлизированных отверстий должен быть порядка 25 мкм. При меньшей толщине слоя в платах со сквоз­ными металлизированными отверстиями не будет достаточно надежного соединения контактных площадок со стенкой отверстия. Количество слоев (толщина) платы, полученной методом металлизации сквозных отверстий, ограничивается минимальным диаметром отверстия, имеюще­гося в плате. Если, например, на плату устанавливают элементы с диа­метром выводов 0,6 мм, то диаметр отверстия нужно взять равным 1 мм. При этом толщина платы должна быть не более 2 мм, так как в про­тивном случае трудно получить качественную металлизацию платы.

Метод послойного наращивания (рис. 5.13). Платы, изготовленные этим методом, имеют печатные проводники, выполненные методом электрохимического осаждения меди. Межслойные соединения провод­ников осуществляют монолитными столбиками меди, осажденной в от­верстиях изоляционной прокладки.

 

Рис. 5.13. МПП, полученная методом послойного наращивания.

 

Для изготовления МПП методом послойного наращивания на мед­ную фольгу, которая на последних операциях станет первым наружным слоем печатных проводников, наклеивают изоляционную прокладку из стеклоткани, имеющую отверстия в тех местах, где проводники пер­вого (наружного) слоя должны соединяться с проводниками следующего слоя. В эти отверстия электрохимическим способом осаждают медь, а за­тем тем же способом на изоляционное основание наносят проводники второго слоя. На второй слой наклеивают перфорированную изоляцион­ную прокладку, и процесс повторяют до получения нужного числа слоев, после чего травлением фольги получают на наружном слое проводники и контактные площадки.

Чтобы обеспечить надежный контакт между проводниками разных слоев, диаметр отверстия в изо­ляционной прокладке должен быть не менее 0,8 мм, а на каж­дом проводнике, контактирую­щем со столбиком меди, обязательно должна быть контактная площадка диаметром не менее 1,2 мм. Метод послойного наращивания не предусматривает получение на плате металлизированных отверстий. Поэтому к контактным площадкам, полученным на наружном слое, могут быть припаяны только элементы, смонтированные в кор­пусах с планарными выводами.

К недостаткам метода относится и то, что процесс изготовления МПП не может быть разбит на технологические операции, которые можно производить параллельно: все операции можно производить последо­вательно. Поэтому технологический цикл изготовления платы полу­чается длительным.

Следует напомнить, что медь, полученная гальваническим осажде­нием, имеет удельное сопротивление почти на 40% большее, чем у мед­ной фольги. Это следует учитывать при расчете плат, изготовляемых послойным наращиванием.

 

Метод открытых контактных площадок (рис.5.14). Для изготовле­ния плат этим методом используют печатные слои из одностороннего фольгированного тонкого диэлектрика (ФДМ-1), на которых фотохими­ческим методом получают печатные проводники с контактными пло­щадками.

 

 

Рис.5.14. МПП полученная методом открытых контактных площадок:

1 – окно; 2 – проводник.

 

В каждом слое имеются окна, которые должны быть располо­жены над контактными площадками нижних слоев. Все слои прессуют вместе. Благодаря окнам в вышележащих слоях имеется доступ к кон­тактным площадкам, расположенным в любом слое. Через контактные площадки сверлят сквозные отверстия, в которые при монтаже платы вставляют выводы устанавливаемых на плате радиоэлементов. Поэ­тому проводники в слое не должны проходить в тех местах, над которы­ми в вышележащем слое расположены контактные площадки.

Диаметр сквозного отверстия делают меньше диаметра контактной площадки, что необходимо для создания достаточной площади паяного контакта между выводом элемента и контактной площадкой проводни­ка. Однако эта мера не может обеспечить высокую надежность паяного соединения. Для повышения надежности пайки применяют металлизацию стенок отверстия. К числу недостатков плат, полученных этим ме­тодом, следует отнести отсутствие электрической связи между слоями. Этот недостаток можно устранить в отдельных случаях, устанавливая на плате проволочные перемычки. Процесс пайки МПП с открытыми контактными площадками практически не поддается механизации.

Метод выступающих выводов (рис. 5.15). МПП, полученные этим методом, имеют сквозные окна, по размерам соизмеримые с габаритами устанавливаемых элементов, в которые выходят проводники из разных слоев.

 

Рис.5.15. МПП, полученная методом выступающих выводов:

1 – вывод печатного проводника загнутый в окно; 2 –колодка;

3 – прижимная планка; 4 – окно.

 

Эти проводники загибают на наружную поверхность платы и при­паивают к ним выводы элементов.

Для изготовления плат используют заготовки из стеклоткани с пер­форированными окнами, на кото­рую наклеена медная фольга. После травления фольги полу­чают печатные проводники. Кон­цы проводников, к которым бу­дут припаивать выводы элемен­тов, должны выступать в окна.

В разных слоях окна должны располагаться одно под другим. После прессовки заготовок с про­водниками получается печатная плата со сквозными окнами, в которые выходят выводы от раз­ных слоев. Эти выводы загибают на колодки, расположенные с наружной стороны платы. Закрепленные таким способом выводы от внутренних слоев образуют контактные площадки, к которым можно припаивать выводы радиоэлементов. Выступающие выводы, выходящие в окно из разных слоев, не должны располагаться один над другим. Каждый вывод должен ложиться на свое отдельное место на колодке или припаиваться к своей контактной площадке наружного слоя. Длина вывода, присоединяемого к контакт­ной площадке, должна быть не менее 1,5 мм, а присоединяемого к ко­лодке -не менее 2,5 мм..

Общая длина выступающей части вывода не может быть больше, чем размер окна. Это ограничивает число слоев (толщину) платы.

Гибкие печатные кабели. Чтобы соединять между собой в аппаратуре отдельные печатные платы, удобно использовать кабели, которые по­добно платам имели бы малую толщину и обладали бы гибкостью. Такие кабели можно изготовить печатным способом,

Рис.5.16. Гибкий печатный кабель

используя в ка­честве диэлектрика тонкий стеклотекстолит или другие изоляционные материалы. Пример выполнения кабеля с отверстиями и металлизиро­ванными контактными площадками приведен на рис. 5.16.

При ис­пользовании такого кабеля в печатной плате делают металлизирован­ные отверстия с таким же шагом, как на печатном кабеле. В отверстия устанавливают и запаивают металлические штыри. На эти штыри на­девают кабель и каждое металлизированное отверстие кабеля припаи­вают к соответствующему штырю.