Материалы для конструирования печатных плат. Выбор материала для изготовления печатной платы Диэлектрические материалы для печатных плат

Стеклотекстолит чаще других материалов применяется для изготовления основания жесткой платы. Стеклотекстолит обладает хорошими диэлектрическими свойствами, механической прочностью и химической стойкостью, долговечностью и безопасностью, допускается эксплуатация стеклотекстолита в условиях повышенной влажности. Наиболее важные характеристики материала – электроизолирующие свойства и вторая по значимости характеристика – температура стеклования Tg, ограничивающая область применения. Температура перехода материала из твердого состояния в пластичное состояние – температура стеклования . Чем выше температура стеклования смолы, тем меньше коэффициент линейного расширения диэлектрика, приводящего к разрушению проводников платы. Значение температуры стеклования зависит от молекулярного веса молекул смолы, используемой при изготовлении материала. Появление и увеличение эластичности происходит в некотором диапазоне температур. Центральная величина внутри этого диапазона называется температурой стеклования. Увеличение температуры стеклования возможно при совершенствовании технологии производства стеклотекстолита.

Стеклотекстолит – материал, изготавливаемый методом горячего прессования нескольких слоев стеклоткани, пропитанных связующим составом – эпоксидной или фенолформальдегидной смолой. Существует множество марок выпускающихся для различных условий эксплуатации. Выработаны различные требования к технологии изготовления. Температура воспламенения различных марок стеклотекстолита от 300 до 500 °С. СТЭФ распространенная отечественная марка стеклотекстолита расшифровывается как стеклотекстолит эпоксиднофенольный. СТЭФ-1 отличается от СТЭФ только технологией изготовления делающей его более пригодным для механической обработки. СТЭФ-У имеет улучшенные механические и электроизолирующие свойства по сравнению с маркой СТЭФ-1.

Разновидностью этого материала является фольгированный стеклотекстолит, использующийся в производстве плат.

Фольгированным материалом называют материал основания платы, имеющий с одной или двух сторон проводящую фольгу – листовой проводниковый материал, предназначенный для образования проводящего рисунка платы. От качества и параметров применяемого материала зависит успех производства плат и надежность изготавливаемого прибора.

Фольгированный стеклотекстолит имеет множество марок. Для производства плат используются отечественные марки в соответствии с ГОСТ выпускающиеся нашими производителями: СФ, СОНФ-У, СТФ, СТНФ, СНФ, ДФМ-59, СФВН и марки импортных стеклотекстолитов FR-4, FR-5, CEM-3 имеющие множество модификаций. Для изготовления плат предназначенных для работы в условиях нормальной и повышенной влажности при температуре от -60 до +85 °С применяется марка СФ, имеющая множество типов, один из них СФ-1-35Г .

Обозначения в наименовании СФ-1-35Г:

• СФ - стеклотекстолит фольгированный
• 1 - односторонний
• 35 - Толщина фольги 35 микрон
• Г - гальваностойкая фольга

Для производства большинства электронных приборов можно применять марку СОНФ-У , ее температура эксплуатации от -60 до +155 °С. Обозначения в наименовании: С и Ф – стеклотекстолит фольгированный, ОН – общего назначения, У - содержит бромсодержащую добавку и относится к классу негорючих пластиков. Толщина фольги размещенной на основании имеет значения из ряда 18, 35, 50, 70, 105 микрон. Толщина фольгированного стеклотекстолита находится в диапазоне от 0,5 до 3 мм .

FR-4 огнеупорный (Fire Retardent) импортный фольгированный стеклотекстолит. FR-4 на сегодня самая распространенная марка материала для производства печатных плат. Высокие технологические и эксплуатационные характеристики обусловили популярность этого материала.

FR-4 имеет номинальную толщину 1,6 мм, облицованный медной фольгой толщиной 35 мкм с одной или двух сторон. Стандартный FR-4 толщиной 1,6 мм состоит из восьми слоев ("препрегов") стеклотекстолита. На центральном слое обычно находится логотип производителя, цвет его отражает класс горючести данного материала (красный - UL94-VO, синий - UL94-HB). Обычно, FR-4 - прозрачен, стандартный зелёный цвет определяется цветом паяльной маски, нанесённой на законченную печатную плату

• объемное электрическое сопротивление после кондиционирования и восстановления (Ом х м): 9,2 х 1013;
• поверхностное электрическое сопротивление (Ом): 1,4 х1012;
• прочность на отслаивание фольги после воздействия гальванического раствора (Н/мм): 2,2;
• горючесть (вертикальный метод испытания): класс Vо.

Односторонний фольгированный стеклотекстолит CEM-3. CEM-3 – импортный материал (Composite Epoxy Material), наиболее соответствующий фольгированному стеклотекстолиту марки FR-4, при цене на 10-15 % меньше. Представляет собой стекловолокнистое основание между двумя наружными слоями стеклоткани. Подходит для металлизации отверстий. CEM-3 молочно-белого цвета или прозрачный материал, очень гладкий. Материал легко сверлится и штампуется. Кроме фольгированного текстолита для изготовления плат используется множество различных материалов.

Гетинакс

Односторонний фольгированный гетинакс.

Фольгированный гетинакс предназначен для изготовления плат предназначенных для работы при обычной влажности воздуха с одно- или двухсторонним монтажом деталей без металлизации отверстий. Технологическое отличие гетинакса от стеклотекстолита состоит в использовании при его производстве бумаги, а не стеклоткани. Материал является дешевым и легко штампуемым. Имеет хорошие электрические характеристики в нормальных условиях. Материал обладает недостатками: плохая химическая стойкость и плохая теплостойкость, гигроскопичность.

Отечественный фольгированный гетинакс марок ГФ-1-35, ГФ-2-35, ГФ-1-50 и ГФ-2-50 рассчитан на работу при относительной влажности 45 - 76 % и температуре 15 - 35 С°, материал основания имеет коричневый цвет. XPC, FR-1, FR-2 – импортные фольгированные гетинаксы. Эти материалы имеют основание из бумаги с фенольным наполнителем, материалы хорошо штампуются.

- FR-3 – модификация FR-2, но в качестве наполнителя вместо фенольной смолы используется эпоксидная смола. Материал предназначен для производства плат без металлизации отверстий.

- CEM-1 – материал, состоящий из эпоксидной смолы (Composite Epoxy Material) на бумажной основе с одним слоем стеклоткани. Предназначен для производства плат без металлизации отверстий, материал хорошо штампуется. Обычно молочно-белого или молочно-желтого цвета.

Прочие фольгированные материалы применяются для более жестких условий эксплуатации, но имеют более высокую цену. Их основание выполнено на основе химических соединений, позволяющих улучшить свойства плат: керамика, арамид, полиэстер, полиимидная смола, бисмалеинимид-триазин, эфир цианат, фторопласт.

Покрытия площадок печатной платы

Рассмотрим, какие бывают покрытия медных площадок. Наиболее часто площадки покрываются сплавом олово-свинец, или ПОС . Способ нанесения и выравнивания поверхности припоя называют HAL или HASL (от английского Hot Air Solder Leveling - выравнивание припоя горячим воздухом). Это покрытие обеспечивает наилучшую паяемость площадок. Однако на смену ему приходят более современные покрытия, как правило, совместимые с требованиями международной директивы RoHS . Эта директива требует запретить присутствие вредных веществ, в том числе свинца, в продукции. Пока что действие RoHS не распространяется на территорию нашей страны, однако помнить о ее существовании небесполезно. HASL применяется повсеместно, если нет иных требований. Иммерсионное (химическое) золочение используется для обеспечения более ровной поверхности платы (особенно это важно для площадок BGA), однако имеет несколько более низкую паяемость. Пайка в печи выполняется примерно по той же технологии, что и HASL, но ручная пайка требует применения специальных флюсов. Органическое покрытие, или OSP, защищает поверхность меди от окисления. Его недостаток - малый срок сохранения паяемости (менее 6 месяцев). Иммерсионное олово обеспечивает ровную поверхность и хорошую паяемость, хотя тоже имеет ограниченный срок пригодности для пайки. Бессвинцовый HAL имеет те же свойства, что и свинец-содержащий, но состав припоя - примерно 99,8% олова и 0,2% добавок. Контакты ножевых разъемов, подвергающихся трению при эксплуатации платы, гальваническим способом покрывают более толстым и более жестким слоем золота. Для обоих видов золочения применяется никелевый подслой для предотвращения диффузии золота.

Защитные и другие виды покрытий печатной платы

Для полноты картины рассмотрим функциональное назначение и материалы покрытий печатной платы.

Паяльная маска - наносится на поверхность платы для защиты проводников от случайного замыкания и грязи, а также для защиты стеклотекстолита от термоударов при пайке. Маска не несет другой функциональной нагрузки и не может служить защитой от влаги, плесени, пробоя и т. д. (за исключением случаев применения специальных видов масок).

Маркировка - наносится на плату краской поверх маски для упрощения идентификации самой платы и расположенных на ней компонентов.

Отслаиваемая маска - наносится на заданные участки платы, которые надо временно защитить, например, от пайки. В дальнейшем ее легко удалить, так как она представляет собой резиноподобный компаунд и просто отслаивается.

Карбоновое контактное покрытие - наносится в определенные места платы как контактные поля для клавиатур. Покрытие имеет хорошую проводимость, не окисляется и износостойко.

Графитовые резистивные элементы - могут наноситься на поверхность платы для выполнения функции резисторов. К сожалению, точность выполнения номиналов невысока - не точнее ±20% (с лазерной подгонкой- до 5%).

Серебряные контактные перемычки - могут наноситься как дополнительные проводники, создавая еще один проводящий слой при недостатке места для трассировки. Применяются в основном для однослойных и двусторонних печатных плат.

Что представляет из себя печатная плат а ?

Печатная плат а или плат а , представляет собой пластину или панель состоящее из одного или двух проводящих рисунков, расположенных на поверхности диэлектрического основания, или из системы проводящих рисунков, расположенных в объеме и на поверхности диэлектрического основания, соединенных между собой в соответствии с принципиальной электрической схемой, предназначенное для электрического соединения и механического крепления устанавливаемых на нем изделий электронной техники, квантовой электроники и электротехнических изделий - пассивных и активных электронных компонентов.

Самый простой печатной плат ой является плат а , которая содержит медные проводники на одной из сторон печатной плат ы и связывает элементы проводящего рисунка только на одной из ее поверхностей. Такие плат ы известны как однослойные печатной плат ы или односторонние печатные плат ы (сокращенно - ОПП ).

На сегодняшний день, самые популярные в производстве и наиболее распространенные печатные плат ы , которые содержат два слоя, то есть, содержащие проводящий рисунок с обеих сторон плат ы – двухсторонни (двухслойные) печатные плат ы (сокращённо ДПП ). Для соединения проводников между слоями используются сквозные монтаж ные и переходные металлизированные отверстия. Тем не менее, в зависимости от физической сложности конструкции печатной плат ы , когда разводка проводников на двусторонней плат е становится слишком сложной, на производстве заказ ывается многослойные печатные плат ы (сокращённо МПП ), где проводящий рисунок формируется не только на двух внешних сторонах плат ы , но и во внутренних слоях диэлектрика. В зависимости от сложности, многослойные печатные плат ы могут быть изготовлены из 4,6, ….24 или более слоев.

>
Рис 1. Пример двухслойной печатной плат ы с защитной паяльной маской и маркировкой.

Для монтаж а электронных компонентов на печатные плат ы , необходима технологическая операция - пайка, применяемая для получения неразъёмного соединения деталей из различных металлов путём введения между контактами деталей расплавленного металла - припоя, имеющего более низкую температуру плавления, чем материалы соединяемых деталей. Спаиваемые контакты деталей, а также припой и флюс вводятся в соприкосновение и подвергаются нагреву с температурой выше температуры плавления припоя, но ниже температуры плавления спаиваемых деталей. В результате, припой переходит в жидкое состояние и смачивает поверхности деталей. После этого нагрев прекращается, и припой переходит в твёрдую фазу, образуя соединение. Этот процесс можно сделать вручную или с помощью специализированной техники.

Перед пайкой, компоненты размещаются на печатной плат е выводами компонентов в сквозные отверстия плат ы и припаиваются к контактным площадкам и/или металлизированной внутренней поверхности отверстия – т.н. технология монтаж а в отверстия (THT Through Hole Technology - технология монтаж а в отверстия или др. словами - штыревой монтаж или DIP-монтаж ). Так же, все большее распространение, в особенности, в массовом и крупносерийном производстве, получила более прогрессивная технология поверхностного монтаж а - также называемая ТМП (технология монтаж а на поверхность) или SMT (surface mount technology) или SMD-технология (от surface mount device – прибор, монтируемый на поверхность). Основным ее отличием от «традиционной» технологии монтаж а в отверстия является то, что компоненты монтируются и паяются на контактные площадки (англ. land), являющиеся частью проводящего рисунка на поверхности печатной плат ы . В технологии поверхностного монтаж а , как правило, применяются два метода пайки: пайка оплавлением припойной пасты и пайка волной. Основное преимущество метода пайки волной – возможность одновременной пайки компонентов, монтируемых как на поверхность плат ы , так и в отверстия. При этом пайка волной является самым производительным методом пайки при монтаж е в отверстия. Пайка оплавлением основана на применении специального технологического материала – паяльной пасты. Она содержит три основных составляющих: припой, флюс (активаторы) и органические наполнители. Паяльная паста наносится на контактные площадки либо с помощью дозатора, либо через трафарет , затем устанавливаются электронные компоненты выводами на паяльную пасту и далее, процесс оплавления припоя, содержащегося в паяльной пасте, выполняется в специальных печах путем нагрева печатной плат ы с компонентами.

Для избежания и/или предотвращения случайного короткого замыкания проводников из разных цепей в процессе пайки, производители печатных плат применяют защитную паяльную маску (англ. solder mask; она же «зеленка») – слой прочного полимерного материала, предназначенного для защиты проводников от попадания припоя и флюса при пайке, а также от перегрева. Паяльная маска закрывает проводники и оставляет открытыми контактные площадки и ножевые разъемы. Наиболее распространенные цвета паяльной маски, используемые в печатных плат а х - зеленый, затем красный и синий. Следует иметь в виду, что паяльная маска не защищает плат у от влаги в процессе эксплуатации плат ы и для влагозащиты используются специальные органические покрытия.

В наиболее популярных программах систем автоматизированного проектирования печатных плат и электронных приборов (сокращённо САПР - CAM350, P-CAD, Protel DXP, SPECCTRA, OrCAD, Allegro , Expedition PCB, Genesis), как правило, существуют правила, связанные с паяльной маской. Эти правила определяют расстояние/отступ, которое необходимо соблюсти, между краем паяемой площадки и границей паяльной маски. Эта концепция иллюстрируется на рисунке 2 (а).

Шелкография или маркировка.

Маркировка (англ. Silkscreen, legend) является процессом, в котором производитель наносит информацию о электронных компонентах и которая способствует облегчить процесс сборки, проверки и ремонта. Как правило, маркировка наносится для обозначения контрольных точек, а также положения, ориентации и номинала электронных компонентов. Также она может быть использована для любых целей конструктора печатных плат , например, указать название компании, инструкцию по настройке (это широко используется в старых материнских плат а х персональных компьютеров) и др. Маркировку можно наносить на обе стороны плат ы и ее, как правило, наносят методом сеткографии(шелкография) специальной краской (с термическим или УФ отверждением) белого, желтого или черного цвета. На рисунке 2 (b) показаны обозначение и область расположения компонентов, выполненные маркировкой белого цвета.

>
Рис 2. Расстояние от площадки до маски (а) и маркировка (b)

Структура слоев в САПР

Как уже отмечалось в начале этой статьи, печатные плат ы могут быть сделаны из нескольких слоев. Когда печатная плат а разработана с помощью САПР, часто можно увидеть в структуре печатной плат ы несколько слоев, которые не соответствуют необходимым слоям с разводкой из проводящего материала (меди). Например, слои с маркировкой и паяльной маской являются непроводящими слоями. Наличие проводящих и непроводящих слоев может привести к путанице, так как производители используют термин слой, когда они имеют в виду только токопроводящие слои. С этого момента, мы будем использовать термин «слои» без «САПР», только когда речь идет о проводящих слоях. Если мы используем термин «слои САПР» мы имеем в виду все виды слоев, то есть проводящие и непроводящие слои.

Структура слоев в САПР:

слои САПР (проводящие и непроводящие)	описание
	Top silkscreen - верхний слой маркировки (непроводящий)
	Top soldermask – верхний слой паяльной маски (непроводящий)
	Top paste mask – верхний слой паяльной пасты (непроводящий)
	Top Layer 1 – первый/верхний слой (проводящий)
	Int Layer 2 – второй/внутренний слой (проводящий)
	Substrate - базовый диэлектрик (непроводящий)
	Bottom Layer n - нижний слой(проводящие)
	Bottom paste mask - Нижний слой паяльной пасты (непроводящий)
	Bottom soldermask Нижний слой паяльной маски (непроводящий)
	Bottom silkscreen Нижний слой маркировки (непроводящий)

На рисунке 3. показаны три различных структур слоев. Оранжевый цвет подчеркивает проводящие слои в каждой структуре. Высота структуры или толщина печатной плат ы может варьироваться в зависимости от назначения, однако наиболее часто используется толщина 1,5мм.

>
Рис 3. Пример 3 различных структур печатных плат : 2-х слойная(а), 4-х слойная (b) и 6-и слойная(с)

Типы корпусов электронных компонентов

Сегодня на рынке присутствует большое разнообразие типов корпусов электронных компонентов. Обычно, для одного пассивного или активного элемента существует несколько типов корпусов. Например, вы можете найти одну и ту же микросхему и в корпусе QFP (от англ. Quad Flat Package - семейство корпусов микросхем, имеющих планарные выводы, расположенные по всем четырём сторонам) и в корпусе LCC (от англ. Leadless Chip Carrier - представляет собой низкопрофильный квадратный керамический корпус с расположенными на его нижней части контактами).

В основном существует 3 больших семейств электронных корпусов:

		Описание
		корпуса для монтаж а в отверстия, которые имеют контакты, предназначенные для сквозной установки через монтаж ные отверстие в печатной плат е. Такие компоненты паяются на противоположной стороне плат ы , где был вставлен компонент. Как правило, эти компоненты смонтированы только на одной стороне печатной плат ы .
	SMD / SMT	корпуса для поверхностного монтаж а , которые паяются на одну сторону плат ы , где помещен компонент. Преимущество этого вида компоновки корпуса является то, что он может быть установлен на обе стороны печатной плат ы и кроме того, эти компоненты меньше чем корпуса для монтаж а в отверстия и позволяют проектировать плат ы меньших габаритов и с более плотной разводкой проводников на печатных плат а х.
		(Ball Grid Array- массив шариков -тип корпуса поверхностно-монтируемых интегральных микросхем). BGA выводы представляют собой, шарики из припоя, нанесённые на контактные площадки с обратной стороны микросхемы. Микросхему располагают на печатной плат е и нагревают с помощью паяльной станции или инфракрасного источника, так что шарики начинают плавиться. Поверхностное натяжение заставляет расплавленный припой зафиксировать микросхему ровно над тем местом, где она должна находиться на плат е. У BGA длина проводника очень мала, и определяется расстоянием между плат ой и микросхемой, таким образом, применение BGA позволяет увеличить диапазон рабочих частот и увеличить скорость обработки информации. Так же технология BGA имеет лучший тепловой контакт между микросхемой и плат ой, что в большинстве случаев избавляет от установки теплоотводов, поскольку тепло уходит от кристалла на плат у более эффективно. Чаще всего BGA используется в компьютерных мобильных процессорах, чипсетах и современных графических процессорах.

Контактная площадка печатной плат ы (англ. land)

Контактная площадка печатной плат ы - часть проводящего рисунка печатной плат ы , используемая для электрического подсоединения устанавливаемых изделий электронной техники. Контактная площадка печатной плат ы представляет собой открытые от паяльной маски части медного проводника, куда и припаиваются выводы компонентов. Есть два типа площадок – контактные площадки монтаж ных отверстий для монтаж а в отверстия и планарные площадки для поверхностного монтаж а - SMD площадки. Иногда, SMD площадки с переходным отверстием очень похожи на площадки для монтаж а в отверстия.

На рисунке 4 представлены контактные площадки для 4х разных электронных компонентов. Восемь для IC1 и две для R1 SMD площадки, соответственно, а так же три площадки с отверстиями для Q1 и PW электронных компонентов.

>
Рис 4. Площадки для поверхностного монтаж а (IC1, R1) и контактные площадки для монтаж а в отверстия (Q1, PW).

Медные проводники

Медные проводники используется для подключения двух точек на печатной плат е -например, для подключения между двумя SMD площадками (рисунок 5.), или для подключения SMD площадки к площадке монтаж ного отверстия или для соединения двух переходных отверстия.

Проводники могут иметь разную, рассчитанную ширину в зависимости от токов, протекающих через них. Так же, на высоких частотах, необходимо рассчитывать ширину проводников и зазоры между ними, так как сопротивление, емкость и индуктивность системы проводников зависит от их длинны, ширины и их взаимного расположения.

>
Рисунок 5. Соединение двумя проводниками двух SMD микросхем.

Сквозные металлизированные переходные отверстие печатной плат ы

Когда надо соединить компонент, который находится на верхнем слое печатной плат ы с компонентом, который находится на нижнем слое, применяются сквозные металлизированные переходные отверстия, которые соединяют элементы проводящего рисунка на разных слоях печатной плат ы . Эти отверстия, позволяют току проходить сквозь печатную плат у. На рисунке 6 показаны два проводника, которые начинаются на площадках компонентов на верхнем слое и заканчивается на площадках другого компонента на нижнем слое. Для каждого проводника установлено свое переходное отверстие, проводящее ток из верхнего слоя на нижний слой.

>

Рисунок 6. Соединение двух микросхем через проводники и переходные металлизированные отверстия на разных сторонах печатной плат ы

На рисунке 7 более детально дано представление о поперечном сечении 4-слойных печатных плат . Здесь цветами обозначены следующие слои:

На модели печатной плат ы , на рисунке 7 показан проводник (красный), который принадлежит к верхнему проводящему слою, и который проходит сквозь плат у с помощью сквозного переходного отверстия, а затем продолжает свой путь по нижнему слою(синий).

>

Рисунок 7. Проводник из верхнего слоя, проходящий через печатную плат у и продолжающий свой путь на нижнем слое.

«Глухое» металлизированное отверстие печатной плат ы

В HDI (High Density Interconnect - высокая плотность соединений) печатных плат а х, необходимо использовать более чем два слоя, как это показано на рисунке 7. Как правило, в многослойных конструкциях печатной плат ы , на которых устанавливаются много интегральных микросхем, используются отдельные слои для питания и земли (Vcc или GND), и таким образом, наружные сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников. Также бывают случаи, что сигнальные проводники должны переходить от внешнего слоя (сверху или снизу) по наименьшему пути, что бы обеспечить необходимое волновое сопротивление, требования по гальванической развязке и заканчивая требованиями на устойчивость к электростатическому разряду. Для таких видов соединений используются глухие металлизированные отверстие (Blind via - «глухие» или «слепые»). Имеются в виду отверстия, соединяющие наружный слой с одним или несколькими внутренними, что позволяет сделать подключение минимальным по высоте. Глухое отверстие начинается на внешнем слое и заканчивается на внутреннем слое, поэтому оно имеет префикс «глухое».

Чтобы узнать, какое отверстие присутствует на плат е, вы можете поместить печатную плат у над источником света и посмотреть - если вы видите свет, идущий от источника через отверстие, то это переходное отверстие, в противном случае глухое.

Глухие переходные отверстия полезно использовать в конструкции плат ы , когда вы ограничены в размерах и имеете слишком мало места для размещения компонентов и разводки сигнальных проводников. Вы можете разместить электронные компоненты с обеих сторон и максимально увеличить пространство под разводку и другие компоненты. Если переходы сделаны через сквозные отверстие, а не глухие, понадобиться дополнительное пространство для отверстий т.к. отверстие занимает место с обеих сторон. В то же время глухие отверстия могут находиться под корпусом микросхемы – например для разводки больших и сложных BGA компонентов.

На рисунке 8 показаны три отверстия, которые являются частью четырехслойной печатной плат ы . Если смотреть слева направо, то первое мы увидим сквозное отверстие через все слои. Второе отверстие начинается в верхнем слое и заканчивается на втором внутреннем слое - глухое переходное отверстия L1-L2. Наконец, третье отверстие, начинается в нижнем слое и заканчивается в третьем слое, поэтому мы говорим, что это глухое переходное отверстия L3-L4.

Основным недостатком этого типа отверстия, является более высокая цена изготовления печатной плат ы с глухими отверстиями, по сравнению с альтернативными сквозными отверстиями.

>
Рис 8. Сравнение переходного сквозного отверстие и глухих переходных отверстий.

Скрытые переходные отверстия

Англ. Buried via - «скрытые», «погребенные», «встроенные». Эти переходные отверстия похожи на глухие, с той разницей, что они начинаются и заканчиваются на внутренних слоях. Если мы посмотрим на рисунок 9 слева направо, мы увидим, что первое отверстие сквозное через все слои. Второе представляет собой глухое переходное отверстия L1-L2, а последнее является, скрытое переходное отверстие L2-L3, которое начинается на втором слое и заканчивается на третьем слое.

>

Рисунок 9. Сравнение переходного сквозного отверстие, глухого отверстия и скрытого отверстия.

Технология изготовления глухих и скрытых переходных отверстий

Технология изготовления таких отверстий может быть различной, в зависимости от той конструкции, которую заложил разработчик, и в зависимости от возможностей завод а-изготовителя. Мы будем выделять два основных вида:

Отверстие сверлится в двусторонней заготовке ДПП , металлизируется, травиться и затем эта заготовка, по сути готовая двухслойная печатная плат а , прессуется через препрег в составе многослойной заготовки печатной плат ы . Если эта заготовка находиться сверху «пирога» МПП , то мы получаем глухие отверстия, если в середине, то - скрытые переходные отверстия.

1. Отверстие сверлится в спрессованной заготовке МПП , глубина сверления контролируется, что бы точно попасть в площадки внутренних слоев, и затем происходит металлизация отверстия. Таким образом мы получаем только глухие отверстия.

В сложных конструкциях МПП могут применяться комбинации вышеперечисленных видов отверстий – рисунок 10.

>

Рисунок 10. Пример типовой комбинации видов переходных отверстий.

Заметим, что применение глухих отверстий иногда может привести к удешевлению проекта в целом, за счет экономии на общем количестве слоев, лучшей трассируемости, уменьшения размера печатной плат ы , а также возможности применить компоненты с более мелким шагом. Однако в каждом конкретном случае решение об их применении следует принимать индивидуально и обоснованно. Однако не следует злоупотреблять сложностью и многообразием видов глухих и скрытых отверстий. Опыт показывает, что при выборе между добавлением в проект еще одного вида несквозных отверстий и добавлением еще одной пары слоев правильнее будет добавить пару слоев. В любом случае, конструкция МПП должна быть спроектирована с учетом того, как именно она будет реализована в производстве.

Финишные металлические защитные покрытия

Получение правильных и надежных паяных соединений в электронном оборудовании зависит от многих конструктивных и технологических факторов, включая должный уровень паяемости соединяемых элементов, таких как компоненты и печатные проводники. Для сохранения паяемости печатных плат до монтаж а электронных компонентов, обеспечения плоскостности покрытия и для надежного монтаж а паяных соединений необходимо защищать медную поверхность контактных площадок печатной плат ы от окисления, так называемым финишным металлическим защитным покрытием.

При взгляде на разные печатные плат ы , можно заметить, что контактные площадки почти не когда не имеют цвет меди, зачастую и в основном это серебристые цвета, блестящий золотой или матовый серый. Эти цвета и определяют типы финишных металлических защитных покрытий.

Наиболее распространенным методом защиты паяемых поверхностей печатных плат является покрытие медных контактных площадок слоем серебристого сплава олово-свинеца (ПОС-63) - HASL. Большинство изготавливаемых печатных плат защищены методом HASL. Горячее лужение HASL - процесс горячего облуживания плат ы , методом погружения на ограниченное время в ванну с расплавленным припоем и при быстрой выемке обдувкой струей горячего воздуха, убирающей излишки припоя и выравнивающей покрытие. Это покрытие доминирует в течение нескольких последних лет, несмотря на его серьезные технические ограничения. Плат ы , выпущенные таким способом, хотя и хорошо сохраняют паяемость в течение всего периода хранения, непригодны для некоторых применений. Высокоинтегрированные элементы, используемые в SMT технологиях монтаж а , требуют идеальной планарности (плоскостности) контактных площадок печатных плат . Традиционные покрытия HASL не соответствуют требованиям планарности.

Технологии нанесения покрытий, соответствующие требованиям планарности, это наносимое химическими методами покрытия:

Иммерсионное золочение (Electroless Nickel / Immersion Gold - ENIG), представляющее собой тонкую золотую пленку, наносимую поверх подслоя никеля. Функция золота - обеспечивать хорошую паяемость и защищать никель от окисления, а сам никель служит барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди. Это покрытие гарантирует превосходную планарность контактных площадок без повреждения печатных плат , обеспечивает достаточную прочность паяных соединений, выполненных припоями на основе олова. Их главный недостаток - высокая себестоимость производства.

Иммерсионное олово (Immersion Tin - ISn) – серое матовое химическое покрытие, обеспечивающее высокую плоскостность печатных площадок плат ы и совместимое со всеми способами пайки, нежели ENIG. Процесс нанесения иммерсионного олова, схож с процессом нанесения иммерсионного золота. Иммерсионное олово обеспечивает хорошую паяемость после длительного хранения, которое обеспечивается введением подслоя органометалла в качестве барьера между медью контактных площадок и непосредственно оловом. Однако, плат ы , покрытые иммерсионным оловом, требуют осторожного обращения, должны хранится в вакуумной упаковке в шкафах сухого хранения и плат ы с этим покрытием не пригодны для производства клавиатур/сенсорных панелей.

При эксплуатации компьютеров, устройств с ножевыми разъемами, контакты ножевых разъемов, подвергаются трению при эксплуатации плат ы , поэтому, концевые контакты, гальваническим способом покрывают более толстым и более жестким слоем золота. Гальваническое золочение ножевых разъёмов (Gold Fingers) - покрытие семейства Ni/Au, толщина покрытия: 5 -6 Ni; 1,5 – 3 мкм Au. Покрытие наносится электрохимическим осаждением (гальваника) и используется в основном для нанесения на концевые контакты и ламели. Толстое, золотое покрытие имеет высокую механическую прочность, стойкость к истиранию и неблагоприятному воздействию окружающей среды. Незаменимо там, где важно обеспечить надежный и долговечный электрический контакт.

>
Рисунок 11. Примеры металлических защитных покрытий - олово-свинец, иммерсионное золочение, иммерсионное олово, гальваническое золочение ножевых разъёмов.

Печатная плата

Печатная плата со смонтированными на ней электронными компонентами.

Гибкая печатная плата с установленными деталями объёмного и поверхностного монтажа.

Чертеж платы в CAD-программе и готовая плата

Устройство

Так же 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) и керамика .

• ГОСТ 2.123-93 Единая система конструкторской документации. Комплектность конструкторской документации на печатные платы при автоматизированном проектировании.
• ГОСТ 2.417-91 Единая система конструкторской документации. Платы печатные. Правила выполнения чертежей.

Другие стандарты на печатные платы:

• ГОСТ Р 53386-2009 Платы печатные. Термины и определения.
• ГОСТ Р 53429-2009 Платы печатные. Основные параметры конструкции. Этот ГОСТ задает классы точности печатных плат и соответствующие геометрические параметры.

Типовой процесс

Рассмотрим типичный процесс разработки платы из готовой принципиальной электрической схемы:

• Трансляция принципиальной электрической схемы в базу данных САПР разводки печатной платы. Заранее определяются чертежи каждого компонента, расположение и назначение выводов и др. Обычно используются готовые библиотеки компонентов, поставляемые разработчиками САПР.
• Уточнение у будущего изготовителя печатной платы его технологических возможностей (имеющиеся материалы, количество слоев, класс точности, допустимые диаметры отверстий, возможность покрытий и т. п.).
• Определение конструктива печатной платы (габаритов, точек крепления, допустимых высот компонентов).
  • Вычерчивание габаритов (краёв) платы, вырезов и отверстий, областей запрета размещения компонентов.
  • Расположение конструктивно-привязанных деталей: разъёмов, индикаторов, кнопок и др.
  • Выбор материала платы, количества слоев металлизации, толщины материала и толщины фольги (наиболее часто используется стеклотекстолит толщиной 1,5 мм с фольгой толщиной 18 или 35 мкм).
• Выполнение автоматического или ручного размещения компонентов. Обычно стремятся разместить компоненты на одной стороне платы поскольку двусторонний монтаж деталей заметно дороже в производстве.
• Запуск трассировщика. При неудовлетворительном результате - перерасположение компонентов. Эти два шага зачастую выполняются десятки или сотни раз подряд. В некоторых случаях трассировка печатных плат (отрисовка дорожек ) производится вручную полностью или частично.
• Проверка платы на ошибки (DRC, Design Rules Check ): проверка на зазоры, замыкания, наложения компонентов и др.
• Экспорт файла в формат, принимаемый изготовителем печатных плат, например Gerber .
• Подготовка сопроводительной записки в которой, как правило, указывают тип фольгированного материала, диаметры сверления всех типов отверстий, вид переходных отверстий (закрытые лаком или открытые, луженые), области гальванических покрытий и их тип, цвет паяльной маски, необходимость маркировки, способ разделения плат (фрезеровка или скрайбирование) и т. п..

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. Для многослойных печатных плат добавляется прессование конечной платы из нескольких заготовок.

Изготовление фольгированного материала

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. 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.

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.

Обработка заготовки

Получение рисунка проводников

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

Химический способ

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: FeCl 3 +Cu → FeCl 2 +CuCl. Типовая концентрация раствора 400 г/л, температура до 35°С. При использовании персульфата аммония процесс травления платы идет следующим образом: (NH 4) 2 S 2 O 8 +Cu → (NH 4) 2 SO 4 +CuSO 4 .

После травления защитный рисунок с фольги смывается.

Механический способ

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

Лазерная гравировка

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.

Прессование многослойных плат

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.

Нанесение покрытий

Возможны такие покрытия как:

• Защитно-декоративные лаковые покрытия («паяльная маска»). Обычно имеет характерный зелёный цвет.
• Лужение. Защищает поверхность меди, увеличивает толщину проводника, облегчает монтаж компонентов. Обычно выполняется погружением в ванну с припоем или волной припоя.
• Гальваническое покрытие фольги инертными металлами (золочение, палладирование) и токопроводящими лаками для улучшения контактных свойств разъемов и мембранных клавиатур .
• Декоративно-информационные покрытия (маркировка). Обычно наносится с помощью шелкографии , реже - струйным методом или лазером.

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.

См. также: ГОСТ 23665-79 Платы печатные. Обработка контура. Требования к типовым технологическим процессам.

По типовому техпроцессу отделение плат от заготовки происходит уже после монтажа компонентов.

Монтаж компонентов

Пайка является основным методом монтажа компонентов на печатные платы. Пайка может выполняться как вручную паяльником так и с помощью специально разработанных специфических технологий.

Пайка волной

Основной метод автоматизированной групповой пайки для выводных компонентов. С помощью механических активаторов создается длинная волна расплавленного припоя. Плату проводят над волной так чтобы волна едва коснулась нижней поверхности платы. При этом выводы заранее установленных выводных компонентов смачиваются волной и припаиваются к плате. Флюс наносится на плату губчатым штемпелем.

Пайка в печах

Основной метод групповой пайки планарных компонентов. На контактные площадки печатной платы через трафарет наносится специальная паяльная паста (порошок припоя в пастообразном флюсе). Затем устанавливаются планарные компоненты. Затем плату с установленными компонентами подают в специальную печь, где флюс паяльной пасты активизируется, а порошок припоя плавится, припаивая компонент.

Если такой монтаж компонентов выполняется с двух сторон, то плата подвергается этой процедуре дважды - отдельно для каждой стороны монтажа. Тяжелые планарные компоненты устанавливаются на капельки клея, которые не позволяют им упасть с перевернутой платы во время второй пайки. Легкие компоненты удерживаются на плате за счет поверхностного натяжения припоя.

После пайки плату обрабатывают растворителями с целью удаления остатков флюса и других загрязнений, либо, при использовании безотмывочной паяльной пасты, плата готова сразу для некоторых условий эксплуатации.

Установка компонентов

Установка компонентов может выполняться как вручную так и на специальных автоматах-установщиках. Автоматическая установка уменьшает вероятность ошибки и значительно ускоряет процесс (лучшие автоматы устанавливают несколько компонентов в секунду).

Финишные покрытия

После пайки печатную плату с компонентами покрывают защитными составами: гидрофобизаторами, лаками, средствами защиты открытых контактов.

Сходные технологии

Подложки гибридных микросхем представляют собой нечто похожее на керамическую печатную плату, однако обычно используют другие техпроцессы:

• шелкографическое нанесение рисунка проводников металлизированной пастой с последующим спеканием пасты в печи. Технология позволяет многослойную разводку проводников благодаря возможности нанесения на слой проводников слоя изолятора теми же шелкографическими методами.
• Осаждение металла через трафарет.

Что такое печатная платa

Печа́тная пла́та (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.

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), и керамика. Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.

Какой материал будем использовать для изготовления плат

Самые распространненые, доступные материалы для изготовления плат - это Гетинакс и Стеклотекстолит. Гетинакс-бумага пропитанная бакелитовым лаком, текстолит стекловолокно с эпоксидкой. Однозначно будем использовать стеклотекстолит!

Стеклотекстолит фольгированный представляет собой листы, изготовленные на основе стеклотканей, пропитанных связующим на основе эпоксидных смол и облицованные с двух сторон медной электролитической гальваностойкой фольгой толщиной 35 мкм. Предельно допустимая температура от -60ºС до +105ºС. Имеет очень высокие механические и электроизоляционные свойства, хорошо поддается механической обработке резкой, сверлением, штамповкой.

Стеклотекстолит в основном используется одно или двухсторонний толщиной 1.5мм и с медной фольгой толщиной 35мкм или 18мкм. Мы будем использовать односторонний стеклотекстолит толщиной 0.8мм с фольгой толщиной 35мкм (почему будет подробно рассмотрено далее).

Методы изготовления печатных плат дома

Платы можно изготавливать химическим методом и механическим.

При химическом методе в тех местах где должны быть дорожки (рисунок) на плате на фольгу наносится защитный состав (лак, тонер, краска и т.д.). Далее плата погружается в специальный раствор (хлорное железо, перекись водорода и другие) который «разъедает» медную фольгу, но не действует на защитный состав. В итоге под защитным составом остается медь. Защитный состав в дальнейшем удаляется растворителем и остаётся готовая плата.

При механическом методе используется скальпель (при ручном изготовлении) или фрезерный станок. Специальная фреза делает бороздки на фольге, в итоге оставляя островки с фольгой - необходимый рисунок.

Фрезерные станки довольно дорогое удовольствие, а также сами фрезы дороги и имеют небольшой ресурс. Так что, этот метод мы не будем использовать.

Самый простой химический метод - ручной. Ризографом лаком рисуются дорожки на плате и потом травим раствором. Этот метод не позволяет делать сложные платы, с очень тонкими дорожками - так что это тоже не наш случай.

Следующий метод изготовления плат - с помощью фоторезиста. Это очень распространненая технология (на заводе платы делаются как раз этим методом) и она часто используется в домашних условиях. В интернет очень много статей и методик изготовления плат по этой технологии. Она дает очень хорошие и повторяемые результаты. Однако это тоже не наш вариант. Основная причина - довольно дорогие материалы (фоторезист, который к тому же портится со временем), а также дополнительные инструменты (УФ ламка засветки, ламинатор). Конечно, если у вас будет объемное производство плат дома - то фоторезист вне конкуренции - рекомендуем освоить его. Также стоит отметить, что оборудование и технология фоторезиста позволяет изготовливать шелкографию и защитные маски на платы.

С появлением лазерных принтеров радиолюбители стали активно их использовать для изготовления плат. Как известно, для печати лазерный принтер использует «тонер». Это специальный порошок, который под температурой спекается и прилипает к бумаге - в итоге получается рисунок. Тонер устойчив к различным химическим веществам, это позволяет использовать его как защитное покрытие на поверхности меди.

Итак, наш метод состоит в том, чтобы перенести тонер с бумаги на поверхность медной фольги и потом протравить плату специальным раствором для получения рисунка.

В связи с простотой использования данный метод заслужил очень большое распространение в радиолюбительстве. Если вы наберете в Yandex или Google как перенести тонер с бумаги на плату - то сразу найдёте такой термин как «ЛУТ» - лазерно утюжная технология. Платы по этой технологии делаются так: печатается рисунок дорожек в зеркальном варианте, бумага прикладывается к плате рисунком к меди, сверху данную бумагу гладим утюгом, тонер размягчяется и прилипает к плате. Бумага далее размачивается в воде и плата готова.

В интернет «миллион» статей о том как сделать плату по этой технологии. Но у данной технологии есть много минусов, которые требуют прямых рук и очень долгой пристройки себя к ней. То есть ее надо почувствовать. Платы не выходят с первого раза, получаются через раз. Есть много усовершенствований - использовать ламинатор (с переделкой - в обычном не хватает температуры), которые позволяют добиться очень хороших результатов. Даже есть методы построения специальных термопрессов, но все это опять требует специального оборудования. Основные недостатки ЛУТ технологии:

перегрев - дорожки растекаются - становятся шире

недогрев - дорожки остаютяся на бумаге

бумага «прижаривается» к плате - даже при размокании сложно отходит - в итоге может повредится тонер. Очень много информации в интернете какую бумагу выбрать.

Пористый тонер - после снятия бумаги в тонере остаются микропоры - через них плата тоже травится - получаются изъеденные дорожки

повторяемость результата - сегодня отлично, завтра плохо, потом хорошо - стабильного результат добиться очень сложно - нужна строго постоянная температура прогрева тонера, нужно стабильное давление прижима платы.

К слову, у меня этим методом не получилось сделать плату. Пробовал делать и на журналах, и на мелованной бумаге. В итоге даже платы портил - от перегрева вздувалась медь.

В интернет почему-то незаслуженно мало информации про еще один метод переноса тонера - метод холодного химического переноса. Он основан на том факте, что тонер не растворяется спиртом, но растворяется ацетоном. В итоге, если подобрать такую смесь ацетона и спирта, которая будет только размягчать тонер - то его можно «переклеить» на плату с бумаги. Этот метод мне очень понравился и сразу дал свои плоды - первая плата была готова. Однако, как оказалось потом, я нигде не смог найти подробной информации, которая давала бы 100% результат. Нужен такой метод, которым плату мог сделать даже ребёнок. Но на второй раз плату сделать не вышло, потом опять и пришло долго подбирать нужные ингридиенты.

В итоге после долгих была разработана последовательность действий, подобраны все компоненты, которые дают если не 100% то 95% хорошего результата. И самое главное процесс настолько простой, что плату может сделать ребенок полностью самостоятельно. Вот этот метод и будем использовать. (конечно его можно и далее доводить до идеала - если у вас выйдет лучше - то пишите). Плюсы данного метода:

все реактивы недорогие, доступные и безопасные

не нужны дополнительные инструменты (утюги, лампы, ламинаторы - ничего, хотя нет - нужна кастрюля)

нет возможности испортить плату - плата вообще не нагревается

бумага отходит сама - видно результат перевода тонера - где перевод не вышел

нет пор в тонере (они заклеиваются бумагой) - соответственно нет протравов

делаем 1-2-3-4-5 и получаем всегда один и тот же результат - почти 100% повторяемость

Прежде чем начать, посмотрим какие платы нам нужны, и что мы сможем сделать дома данным методом.

Основные требования к изготовленным платам

Мы будем делать приборы на микроконтроллерах, с применением современных датчиков и микросхем. Микросхемы становятся все меньше и меньше. Соответственно необходимо выполнение следующих требований к платам:

платы должны быть двух сторонними (как правило развести одностороннюю плату очень сложно, сделать дома четырехслойные платы довольно сложно, микроконтроллерам нужен земляной слой для защиты от помех)

дорожки должны быть толщиной 0.2мм - такого размера вполне достаточно - 0.1мм было бы еще лучше - но есть вероятность протравов, отхода дорожек при пайке

промежутки между дорожками - 0.2мм - этого достаточно практически для всех схем. Уменьшение зазора до 0.1мм чревато сливанием дорожек и сложностью в контроле платы на замыкания.

Мы не будем использовать защитные маски, а также делать шелкографию - это усложнит производство, и если вы делаете плату для себя, то в этом нет нужды. Опять же в интернет много информации на эту тему, и если есть желание вы можете навести «марафет» самостоятельно.

Мы не будем лудить платы, в этом тоже нет необходимости (если только вы не делаете прибор на 100лет). Для защиты мы будем использовать лак. Основная наша цель - быстро, качественно, дёшево в домашних условиях сделать плату для прибора.

Вот так выглядит готовая плата. сделанная нашим методом - дорожки 0.25 и 0.3, расстояния 0.2

Как сделать двухстороннюю плату из 2-ух односторонних

Одна из проблем изготовления двухсторонних плат - это совмещение сторон, так чтобы переходные отверстия совпадали. Обычно для этого делается «бутерброд». На листе бумаги печатается сразу 2 стороны. Лист сгибается пополам, на просвет точно совмещаются стороны с помощью специальных меток. Внутрь вкладывается двухсторонний текстолит. При методе ЛУТ такой бутерброд проглаживается утюгом и получается двухсторонняя плата.

Однако, при методе холодного переноса тонера сам перенос осуществляется с помощью жидкости. И поэтому очень сложно организовать процесс смачивания одной стороны одновременно с другой стороной. Это конечно тоже можно сделать, но с помощью специального приспособления - мини пресса (тисков). Берутся плотные листы бумаги - которые впитывают жидкость для переноса тонера. Листы смачиваются так, чтобы жидкость не капала, и лист держал форму. И дальше делается «бутерброд» - смоченный лист, лист туалетной бумаги для впитывания лишней жидкости, лист с рисунком, плата двухсторонняя, лист с рисунком, лист туалетной бумаги, опять смоченный лист. Все это зажимается вертикально в тиски. Но мы так делать не будем, мы поступим проще.

На форумах по изготовлению плат проскочила очень хорошая мысль - какая проблема делать двухстороннюю плату - берем нож и режем текстолит пополам. Так как стеклотекстолит - это слоеный материал, то это не сложно сделать при опредленной сноровке:

В итоге из одной двухсторонней платы толщиной 1.5мм получаем две односторонние половинки.

Далее делаем две платы, сверлим и все - они идеально совмещены. Ровно разрезать текстолит не всегда получалось, и в итоге пришла идея использовать сразу тонкий односторонний текстолит толщиной 0.8мм. Две половинки потом можно не склеивать, они будут держаться за счет запаяных перемычек в переходных отверстиях, кнопок, разъемов. Но если это необходимо без проблем можно склеить эпоксидным клеем.

Основные плюсы такого похода:

Текстолит толщиной 0,8мм легко режется ножницами по бумаге! В любую форму, то есть очень легко обрезать под корпус.

Тонкий текстолит - прозрачный - посветив фонарем снизу можно легко проверить корректность всех дорожек, замыкания, разрывы.

Паять одну сторону проще - не мешают компоненты на другой стороне и легко можно контролировать спайки выводов микросхем- соединить стороны можно в самом конце

Сверлить надо в два раза больше отверстий и отверстия могут чуть-чуть не совпасть

Немного теряется жёсткость конструкции если не склеивать платы, а склеивать не очень удобно

Односторонний стеклотекстолит толщиной 0.8мм трудно купить, в основном продается 1.5мм, но если не удалось достать, то можно раскроить ножем более толстый текстолит.

Перейдем к деталям.

Необходимые инструменты и химия

Нам понадобятся следующие ингридиенты:

Теперь когда все это есть, делаем по шагам.

1. Компоновка слоев платы на листе бумаги для печати c помощью InkScape

Автоматический цанговый набор:

Мы рекомендуем первый вариант - он дешевле. Далее необходимо к мотору припаять провода и выключатель (лучше кнопку). Кнопку лучше разместить на корпусе, чтобы удобнее было быстро включать и выключать моторчик. Остается подобрать блок питания, можно взять любой блок питания на 7-12в током 1А (можно и меньше), если такого блока питания нет, то может подойти зарядка по USB на 1-2А или батарейка Крона (только надо пробовать - не все зарядки любят моторы, мотор может не запустится).

Дрель готова, можно сверлить. Но вот только необходимо сверлить строго под углом 90градусов. Можно соорудить мини станок - в интернет есть различные схемы:

Но есть более простое решение.

Кондуктор для сверления

Чтобы сверлить ровно под 90 градусов достаточно изготовить кондуктор для сверления. Мы будем делать вот такой:

Изготовить его очень легко. Берем квадратик любого пластика. Кладем нашу дрель на стол или другую ровную поверхность. И сверлим в пластике нужным сверлом отверстие. Важно обеспечить ровное горизонтальное смещение дрели. Можно прислонить моторчик к стене или рейке и пластик тоже. Далее большим сверлом рассверлить отверстие под цангу. С обратной стороны рассверлить или срезать кусок пластика, чтобы было видно сверло. На низ можно приклеить нескользящую поверхность - бумагу или резинку. Такой кондуктор надо сделать под каждое сверло. Это обеспечит идеально точное сверление!

Такой вариант тоже подойдет, срезать сверху часть пластика и срезать уголок снизу.

Вот как производится сверление с его помощью:

Зажимаем сверло так, чтобы оно торчало на 2-3мм при полном погружении цанги. Ставим сверло на место где надо сверлить (при травлении платы у нас будет оставаться метка где сверлить в виде мини отверстия в меди - в Kicad мы специально ставили галку для этого, так что сверло будет само вставать туда), прижимаем кондуктор и включаем мотор - отверстие готово. Для подстветки можно использовать фонарик, положив его на стол.

Как уже мы писали ранее, сверлить можно только отверстия с одной стороны - там где подходят дорожки - вторую половину можно досверлить уже без кондуктора по направляющему первому отверстию. Это немного экономит силы.

8. Лужение платы

Зачем лудить платы - в основном для защиты меди от корозии. Основной минус лужения - перегрев платы, возможная порча дорожек. Если у вас нет паяльной станции - однозначо - не лудите плату! Если она есть, то риск минимальный.

Можно лудить плату сплавом РОЗЕ в кипящей воде, но он дорого стоит и его сложно достать. Лудить лучще обычным припоем. Чтобы сдеалать это качественно, очень тонким слоем надо сделать простое приспособление. Берем кусочек оплетки для выпайки деталей и одеваем ее на жало, прикручиваем проволокой к жалу, чтобы она не соскочила:

Плату покрываем флюсом - например ЛТИ120 и оплетку тоже. Теперь в оплетку набираем олово и ей водим по плате (красим)- получается отличный результат. Но по мере использования оплетка расподается и на плате начинают оставаться ворскинки медные - их обязательно надо убрать, а то будет замыкание! Увидеть это очень легко посветив фонарем с обратной стороны платы. При таком методе хорошо использовать или мощный паяльник (60ват) или сплав РОЗЕ.

В итоге, платы лучше не лудить, а покрывать лаком в самом конце- например PLASTIC 70, или простой акриловый лак купленный в автозапчастях KU-9004:

Тонкий тюнинг метода переноса тонера

В методе есть два момента, которые поддаются тюнингу, и могут не получиться сразу. Для их настройки, необходимо в Kicad сделать тестовую плату, дорожки по квадратной спирали разной толщины, от 0.3 до 0.1 мм и с разными промежутками, от 0.3 до 0.1 мм. Лучше сразу распечатать несколько таких образцов на одном листе и провести подстройку.

Возможные проблемы, которые мы будем устранять:

1) дорожки могут менять геометрию - растекаться, становится шире, обычно очень не значительно, до 0.1мм - но это не хорошо

2) тонер может плохо прилипать к плате, отходить при снятии бумаги, плохо держаться на плате

Первая и вторая проблема взаимосвязаны. Решаю первую, вы приходите ко второй. Надо найти компромисс.

Дорожки могут растекаться по двум причинам - слишкой большой груз прижима, слишком много ацетона в составе полученной жидкости. В первую очередь надо попробовать уменьшить груз. Минимальный груз - около 800гр, ниже уменьшать не стоит. Соответственно груз кладем без всякого прижима - просто ставим сверху и все. Обязательно должно быть 2-3 слоя туалетной бумаги для хорошего впитывания лишнего раствора. Вы должны добиться того, что после снятия груза, бумага должна быть белая, без фиолетовых подтеков. Такие подтеки говорят о сильном расплавлении тонера. Если грузом отрегулировать не получилось, дорожки все равно расплываются, то увеличиваем долю жидкости для снятия лака в растворе. Можно увеличить до 3 части жидкости и 1 часть ацетона.

Вторая проблема, если нет нарушения геометрии, говорит о недостаточном весе груза или малом количестве ацетона. Начать опять же стоит с груза. Больше 3кг смысла не имеет. Если тонер все равно плохо держится на плате, то надо увеличить количество ацетона.

Эта проблема в основном возникает, когда вы меняете жидкость для снятия лака. К сожалению, это не постоянный и не чистый компонент, но на другой его заменить не получилось. Пробовал заменить его спиртом, но видимо получается не однородная смесь и тонер прилипает какими-то вкраплениями. Также жидкость для снятия лака может содержать ацетон, тогда ее надо будет меньше. В общем, такой тюнинг вам надо будет провести один раз, пока не закончится жидкость.

Плата готова

Если вы не будете сразу запаивать плату, то ее необходимо защитить. Самый простой способ сделать это - покрыть спиртоканифольным флюсом. Перед пайкой это покрытие надо будет снять например изопропиловым спиртом.

Альтернативные варианты

Вы также можете сделать плату:

Дополнительно, сейчас набирает популярность сервис изготовления плат на заказ - например Easy EDA . Если необходима более сложная плата (например 4-х слойная) - то это единственный выход.

Физико-механические свойства ма­териалов должны удовлетворять уста­новленным ТУ и обеспечивать качест­венное изготовление ПП в соответст­вии с типовыми ТП. Для изготовле­ния плат применяют слоистые плас­тики – 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 500×700 мм и толщиной 0,06–3 мм. Слоистые пластики должны об­ладать высокой химической и терми­ческой стойкостью, влагопоглощением не более 0,2–0,8 %, выдерживать термоудар (260°С) в течение 5–20с. Поверхностное сопротивление диэлектриков при 40°С и относительной влажности 93 % в течение 4 сут. долж­но быть не менее 10 4 МОм. Удельное объемное сопротивление диэлектри­ка – не менее 5·10 11 Ом·см. Проч­ность сцепления фольги с основанием (полоска шириной 3мм) – от 12 до 15 МПа. В качестве основы в слоистых пла­стиках используют гетинакс , представ­ляющий собой спрессованные слои электроизоляционной бумаги, пропи­танные фенольной смолой, стеклотекстолиты – спрессованные слои стекло­ткани, пропитанные эпоксифенольнои смолой, и другие материалы (табл. 2.1).

Табл.2.1. Основные материалы для изготовления плат.

Материал	Марка	Толщина	Область применения
Фольги, мкм	Материала, мм
Гетинакс: фольгированный огнестойкий влагостойкий Стеклотекстолит: фольгированный огнестойкий теплостойкий травящийся с адгезионным слоем с тонкой фольгой Фольгированный диэлектрик: тонкий для МПП для микроэлектроники Стеклоткань прокладочная Лавсан фольгированный Фторопласт: фольгированный армированный Полиамид фольгированный Сталь эмалированная Алюминий анодированный Керамика алюмооксидная	ГФ-1(2) ГПФ-2-50Г ГОФВ-2-35 СФ-1(2) СФО-1(2) СТФ-1(2) ФТС-1(2) СТЭК СТПА-1 ФДП-1 ФДМ-1(2) ФДМЭ-1(2) СП-1-0,0025 ЛФ-1 ЛФ-2 ФФ-4 ФАФ-4Д ПФ-1 ПФ-2 – – –	35, 50 35, 50 18, 35 18, 35 – – – – –	1-3 1-3 1-3 0,8-3 0,9-3 0,1-3 0,08-0,5 1,0-1,5 0,1-3 0,5 0,2-0,35 0,1-0,3 0,0025 0,05 0,1 1,5-3 0,5-3 0,05 0,1 1-5 0,5-3 2-4	ОПП ДПП ДПП ОПП, ДПП ОПП, ДПП ОПП, ДПП МПП, ДПП ДПП ОПП, ДПП МПП МПП МПП МПП ГПП ГПП ДПП ГПП ГПП ГПП ДПП ДПП, ГИМС ДПП, МПП

Гетинакс, обладая удовлетворитель­ными электроизоляционными свойст­вами в нормальных климатических условиях, хорошей обрабатываемо­стью и низкой стоимостью, нашел применение в производстве бытовой РЭА. Для ПП, эксплуатируемых в сложных климатических условиях с широким диапазоном рабочих темпе­ратур (– 60...+180°С) в составе элек­тронно-вычислительной аппаратуры, техники связи, измерительной техни­ки, применяют более дорогие стекло текстолиты. Они отличаются широ­ким диапазоном рабочих температур, низким (0,2 – 0,8 %) водопоглощением, высокими значениями объемного и поверхностного сопротивлений, стой­костью к короблению. Недостатки– возможность отслаивания фольги при термоударах, наволакивание смолы при сверлении отверстий. Повышение огнестойкости диэлектриков (ГПФ, ГПФВ, СПНФ, СТНФ), используемых в блоках питания, достигается введе­нием в их состав антипиренов (напри­мер, тетрабромдифенилпропана).

Для изготовления фольгированных диэлектриков используется в основном электролитическая медная фольга, од­на сторона которой должна иметь гладкую поверхность (не ниже вось­мого класса чистоты) для обеспечения точного воспроизведения печатной схе­мы, а другая должна быть шерохова­той с высотой микронеровностей не менее 3 мкм для хорошей адгезии к диэлектрику. Для этого фольгу под­вергают оксидированию электрохимическим путем в растворе едкого натра. Фольгирование диэлектриков осуще­ствляют прессованием при температу­ре 160 – 180°С и давлении 5 –15 МПа.

Керамические материалы характери­зуются высокой механической проч­ностью, которая незначительно изме­няется в диапазоне температур 20–700°С, стабильностью электрических и геометрических параметров, низки­ми (до 0,2%) водопоглощением и газовыделением при нагреве в вакууме, однако являются хрупкими и имеют высокую стоимость.

В качестве металлической основы плат используют сталь и алюминий. На стальных основаниях изолирова­ние токоподводящих участков осуще­ствляют с помощью специальных эма­лей, в состав которых входят оксиды магния, кальция, кремния, бора, алю­миния или их смеси, связка (поливинилхлорид, поливинилацетат или метилметакрилат) и пластификатор. Пленку наносят на основание путем прокатки между вальцами с последующим вжиганием. Изолирующий слой толщиной от нескольких десятков до сотен микрометров с сопротивлением изоляции 10 2 – 10 3 МОм на поверхно­сти алюминия получают анодным ок­сидированием. Теплопроводность ано­дированного алюминия 200 Вт/(м·К), а стали – 40 Вт/(м·К). В качестве основы для ПП СВЧ-диапазона используют неполярные (фто­ропласт, полиэтилен, полипропилен) и полярные (полистирол, полифениленоксид) полимеры. Для изготовления микроплат и микросборок СВЧ-диапазона применяют также керамиче­ские материалы, имеющие стабильные электрические характеристики и гео­метрические параметры.

Полиамидная пленка используется для изготовления гибких плат, обла­дающих высокой прочностью на рас­тяжение, химической стойкостью, не­сгораемостью. Она имеет наиболее высокую среди полимеров темпера­турную устойчивость, так как не теря­ет гибкости от температур жидкого азота до температур эвтектической пайки кремния с золотом (400°С). Кроме того, она характеризуется низ­ким газовыделением в вакууме, радиа­ционной стойкостью, отсутствием на­волакивания при сверлении. Недос­татки – повышенное водопоглощение и высокая стоимость.

Формирование рисунка схемы.

Нанесение рисунка схемы или за­щитного рельефа требуемой конфигу­рации необходимо при осуществлении процессов металлизации и травления. Рисунок должен иметь четкие грани­цы с точным воспроизведением тон­ких линий, быть стойким к травиль­ным растворам, не загрязнять платы и электролиты, легко сниматься после выполнения своих функций. Перенос рисунка печатного монтажа на фольгированный диэлектрик осуществляют методами сеткографии, офсетной пе­чати и фотопечати. Выбор метода за­висит от конструкции платы, требуе­мой точности и плотности монтажа, серийности производства.

Сеткографический метод нанесения рисунка схемы наиболее рентабелен для массового и крупносерийного производства плат при минимальной ширине проводников и расстоянии между ними > 0,5 мм, точность вос­произведения изображения ±0,1 мм. Суть заключается в нанесении на пла­ту специальной кислотостойкой крас­ки путем продавливания ее резиновой лопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет, в котором необходимый ри­сунок образован открытыми ячейками сетки (рис. 2.4).

Для изготовления трафарета ис­пользуют металлические сетки из не­ржавеющей стали с толщиной прово­локи 30–50 мкм и частотой плетения 60–160 нитей на 1 см, металлизиро­ванного нейлонового волокна, имею­щего лучшую эластичность, с толщи­ной нити 40 мкм и частотой плетения до 200 нитей на 1 см, а также из по­лиэфирных волокон и капрона

Од­ним из недостатков сеток является их растяжение при многократном использовании. Самой большой стойкостью обладают сетки из нержавеющей стали (до 20 тыс. отпечатков), метал­лизированных пластмасс (12 тыс.), по­лиэфирных волокон (до 10 тыс.), ка­прона (5 тыс.).

Рис. 2.4. Принцип трафаретной печати.

1 – ракель; 2 – трафарет; 3 – краска; 4 – основание.

Изображение на сетке получают с помощью экспонирования жидкого или сухого (пленочного) фоторезиста, после проявления которого образуют­ся открытые (свободные от рисунка) ячейки сетки. Трафарет в сеткографи­ческой раме устанавливают с зазором 0,5–2 мм от поверхности платы так, чтобы контакт сетки с поверхностью платы был только в зоне нажатия на сетку ракелем. Ракель представляет собой прямоугольную заточенную по­лосу резины, установленную по отно­шению к подложке под углом 60–70°.

Для получения рисунка ПП исполь­зуют термоотверждающиеся краски СТ 3.5;

СТ 3.12, которые сушат либо в термошкафу при температуре 60°С в течение 40 мин, либо на воздухе в те­чение 6 ч, что удлиняет процесс сеткографии. Более технологичными яв­ляются фотополимерные композиции ЭП-918 и ФКП-ТЗ с ультрафиолетовым отверждением в течение 10–15с, что является решающим фактором при автоматиза­ции процесса. При однократном на­несении покрытие зеленого цвета имеет толщину 15–25 мкм, воспроиз­водит рисунок с шириной линий и за­зорами до 0,25 мм, выдерживает погружение в расплав припоя ПОС-61 при температуре 260°С до 10 с, воз­действие спиртобензиновой смеси до 5 мин и термоциклирование в интер­вале температур от – 60 до +120 °С. После нанесения рисунка плату про­сушивают при температуре 60 °С в те­чение 5–8 мин, контролируют качест­во и при необходимости подвергают ретуши. Удаление защитной маски после травления или металлизации осуществляют химическим методом в 5 %-м растворе едкого натра в течение 10–20 с.

Табл. 2.2. Оборудование для трафаретной печати.

Для трафаретной печати использу­ют полуавтоматическое и автоматиче­ское оборудование, отличающееся фор­матом печати и производительностью (табл. 2.2). Автоматические линии тра­фаретной печати фирм Chemcut (США), Resco (Италия) имеют авто­матические системы подачи и уста­новки плат, движения ракеля и пода­чи резиста. Для сушки резиста приме­няют ИК-печитуннельного типа.

Офсетная печать применяется для крупносерийного производства ПП при малой номенклатуре схем. Разре­шающая способность 0,5–1 мм, точ­ность получаемого изображения со­ставляет ±0,2 мм. Суть метода в том, что в клише, несущее изображение схемы (печатные проводники, кон­тактные площадки), закатывается краска. Затем она снимается офсетным валиком, покрытым резиной, пе­реносится, на изоляционное основание и подвергается сушке. Клише и осно­вание платы располагаются друг за другом на основании машины для оф­сетной печати (рис. 2.5)

Рис.2.5. Схема офсетной печати.

1 – офсетный валик; 2 – клише; 3 – плата;

4 – валик для нанесения краски; 5 – прижимной валик.

Точность печати и резкость конту­ров определяются параллельностью валика и основания, типом и конси­стенцией краски. С помощью одного клише можно выполнить неограни­ченное число оттисков. Производи­тельность метода ограничена длитель­ностью колебательного цикла (нанесе­ние краски – перенос) и не превыша­ет 200–300 оттисков в час. Недостат­ки метода: длительность процесса изготовления клише, сложность измене­ния рисунка схемы, трудность получе­ния беспористых слоев, высокая стои­мость оборудования.

Фотографический метод нанесения рисунка позволяет получать минималь­ную ширину проводников и расстоя­ния между ними 0,1–0,15 мм с точ­ностью воспроизведения до 0,01 мм. С экономической точки зрения этот способ менее рентабельный, но по­зволяет получать максимальную раз­решающую способность рисунка и по­этому применяется в мелкосерийном и серийном производстве при изго­товлении плат высокой плотности и точности. Способ основан на исполь­зовании светочувствительных компози­ций, называемых фоторезистами ,ко­торые должны обладать: высокой чув­ствительностью; высокой разрешаю­щей способностью; однородным по всей поверхности беспористым слоем с высокой адгезией к материалу пла­ты; устойчивостью к химическим воз­действиям; простотой приготовления, надежностью и безопасностью приме­нения.

Фоторезисты разделяются на нега­тивные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием излучения образуют защитные участки рельефа в результате фотополимеризации и задубливания. Освещенные участки пе­рестают растворяться и остаются на поверхности подложки. Позитивные фо­торезисты передают рисунок фото­шаблона без изменений. При световой обработке экспонированные участки разрушаются и вымываются.

Для получения рисунка схемы при использовании негативного фоторезиста экспонирование производят через негатив, позитивного – через пози­тив. Позитивные фоторезисты имеют более высокую разрешающую способ­ность, что объясняется различиями в поглощении излучения фоточувстви­тельным слоем. На разрешающую спо­собность слоя влияют дифракционное огибание света на краю непрозрачно­го элемента шаблона и отражение све­та от подложки (рис. 2.6, а).

Рис.2.6. Экспонирование светочувствительного слоя:

а – экспонирование; б – негативный фоторезист; в – позитивный фоторезист;

1 –дифракция; 2 –рассеяние; 3 –отражение; 4 –шаблон; 5 – резист; 6 – подложка.

В негативном фоторезисте дифрак­ция не играет заметной роли, по­скольку шаблон плотно прижат к резисту, но в результате отражения во­круг защитных участков появляется ореол, который снижает разрешаю­щую способность (рис. 2.6, б). В слое позитивного резиста под влиянием дифракции разрушится и вымоется при проявлении только верхняя об­ласть резиста под непрозрачными уча­стками фотошаблона, что мало ска­жется на защитных свойствах слоя. Свет, отраженный от подложки, может вызвать некоторое разрушение прилегающей к ней области, но про­явитель эту область не вымывает, так как под действием адгезионных сил слой опустится вниз, вновь образуя четкий край изображения без ореола (рис. 2.6, в).

В настоящее время в промышлен­ности используются жидкие и сухие (пленочные) фоторезисты. Жидкие фоторезисты – коллоидные растворы синтетических полимеров, в частности поливинилового спирта (ПВС). Наличие гидроксильной груп­пы ОН в каждом звене цепи опреде­ляет высокую гигроскопичность и по­лярность поливинилового спирта. При добавлении к водному раствору ПВС бихромата аммония происходит «очув­ствление» последнего. Фоторезист на основе ПВС наносят на предваритель­но подготовленную поверхность пла­ты путем окунания заготовки, поли­вом с последующим центрифугирова­нием. Затем слои фоторезиста сушат в термошкафу с циркуляцией воздуха при температуре 40°С в течение 30–40 мин. После экспонирования осу­ществляется проявление фоторезиста в теплой воде. Для повышения хими­ческой стойкости фоторезиста на ос­нове ПВС применяют химическое дубление рисунка ПП в растворе хромового ангидрида, а затем термиче­ское дубление при температуре 120°С в течение 45–50 мин. Раздубливание (снятие) фоторезиста проводят в тече­ние 3–6 с в растворе следующего состава:

– 200–250 г/л щавелевой кисло­ты,

– 50–80 г/л хлористого натрия,

– до 1000 мл воды при температуре 20 °С.

Достоинства фоторезиста на основе ПВС – низкие токсичность и пожароопасность, проявление с помощью воды. К недостаткам его относят эф­фект темнового дубления (поэтому срок хранения заготовок с нанесен­ным фоторезистом не должен превы­шать 3–6 ч), низкую кислото- и щелочеустойчивость, трудность автома­тизации процесса получения рисунка, трудоемкость приготовления фоторезиста, низкую чувствительность.

Улучшение свойств жидких фоторе­зистов (устранение дубления, повы­шение кислотостойкости) достигается в фоторезисте на основе циннамата. Светочувствительным компонентом фо­торезиста этого типа является поливинилциннамат (ПВЦ) – продукт взаи­модействия поливинилового спирта и хлорангидрида коричной кислоты. Разрешающая способность его при­мерно 500 лин/мм, проявление осуще­ствляется в органических растворите­лях – трихлорэтане, толуоле, хлор­бензоле. Для интенсификации про­цесса проявления и удаления фоторе­зиста ПВЦ используют ультразвуко­вые колебания. Диффузия в УЗ-поле сильно ускоряется за счет акустиче­ских микропотоков, а образующиеся кавитационные пузырьки при захло­пывании отрывают участки фоторези­ста от платы. Время проявления со­кращается до 10 с, т. е. в 5–8 раз по сравнению с обычной технологией. К недостаткам фоторезиста ПВЦ от­носятся его высокая стоимость, ис­пользование токсичных органических растворителей. Поэтому резисты ПВЦ не нашли широкого применения в изготовлении ПП, а используются глав­ным образом при изготовлении ИМС.

Фоторезисты на основе диазосоединений применяют в основном как по­зитивные. Светочувствительность диазосоединений обусловлена наличием в них групп, состоящих из двух атомов азота N 2 (рис. 2.7).

Рис.2.7. Молекулярные связи в структуре диазосоединений.

Сушка слоя фото­резиста проводится в две стадии:

– при температуре 20°С в течение 15–20 мин для испарения легколетучих компо­нентов;

– в термостате с циркуляцией воздуха при температуре 80 °С в те­чение 30–40 мин.

Проявителями яв­ляются растворы тринатрийфосфата, соды, слабых щелочей. Фоторезисты ФП-383, ФН-11 на основе диазосоединений имеют разрешающую способ­ность 350–400 лин/мм, высокую хи­мическую стойкость, однако стои­мость их высока.

Сухие пленочные фоторезисты марки Riston впервые разработаны в 1968 г. фирмой Du Pont (США) и имеют тол­щину 18 мкм (красный цвет), 45 мкм (голубой) и 72 мкм (рубиновый). Су­хой пленочный фоторезист марки СПФ-2 выпускается с 1975 г. толщи­ной 20, 40 и 60 мкм и представляет собой полимер на основе полиметилметакрилата 2 (рис.2.8), расположен­ный между полиэтиленовой 3 и лавса­новой / пленками толщиной 25 мкм каждая.

Рис.2.8. Структура сухого фоторезиста.

В СНГ выпускаются следующие типы сухих пленочных фоторезистов:

– проявляемые в органических веще­ствах – СПФ-2, СПФ-АС-1, СРФ-П;

– водно-щелочные – СПФ-ВЩ2, ТФПК;

– повышенной надежности – СПФ-ПНЩ;

– защитные – СПФ-З-ВЩ.

Перед накаткой на поверхность ос­нования ПП защитная пленка из по­лиэтилена удаляется и сухой фоторе­зист наносится на плату валиковым методом (плакирование, ламинирова­ние) при нагреве до 100°С со скоро­стью до 1 м/мин с помощью специ­ального устройства, называемого ла­минатором. Сухой резист полимеризуется под действием ультрафиолетового излучения, максимум его спектраль­ной чувствительности находится в об­ласти 350 нм, поэтому для экспониро­вания используют ртутные лампы. Проявление осуществляется в маши­нах струйного типа в растворах метилхлорида, диметилформамида.

СПФ-2 – сухой пленочный фоторе­зист, аналогичный по свойствам фото­резисту Riston, допускает обработку как в кислых, так и в щелочных сре­дах и используется при всех методах изготовления ДПП. При его примене­нии необходима герметизация обору­дования для проявления. СПФ-ВЩ обладает более высокой разрешающей способностью (100–150 линий/мм), стоек в кислой среде, обрабатывается в щелочных растворах. В состав фото­резиста ТФПК (в полимеризующую композицию) входит метакриловая ки­слота, улучшающая эксплуатационные характеристики. Для него не требуется термообработка защитного рельефа перед нанесением гальванопокрытия. СПФ-АС-1 позволяет получать рису­нок ПП как по субтрактивной, так и по аддитивной технологии, поскольку он стоек и в кислых, и в щелочных средах. Для улучшения адгезии свето­чувствительного слоя к медной под­ложке в состав композиции введен бензотриазол.

Применение сухого фоторезиста зна­чительно упрощает процесс изготовле­ния ПП, увеличивает процент выхода годных изделий с 60 до 90 %. При этом:

– исключаются операции сушки, дубления и ретуширования, а также за­грязнения, нестабильность слоев;

– обес­печивается защита металлизированных отверстий от затекания фоторезиста;

– достигается высокая автоматизация и механизация процесса изготовления ПП и контроля изображения.

Установка для нанесения сухого пленочного фоторезиста – ламинатор (рис.2.9) состоит из валиков 2, по­дающих плату 6 и прижимающих фо­торезист к поверхности заготовок, ва­ликов 3 и 4 для снятия защитной по­лиэтиленовой пленки, бобины с фоторезистом 5, нагревателя 1 с терморегу­лятором.

Рис.2.9. Схема ламинатора.

Скорость движения заготов­ки платы достигает 0,1 м/с, температу­ра нагревателя (105 ±5) °С. Конструкция установки АРСМ 3.289.006 НПО «Ратон» (Беларусь) обеспечивает постоянное усилие прижатия независи­мо от зазора, устанавливаемого между валиками-нагревателями. Максималь­ная ширина заготовки ПП 560 мм. Особенностью накатывания является опасность попадания пыли под слой фоторезиста, поэтому установка долж­на работать в гермозоне. Накатанная пленка фоторезиста выдерживается не менее 30 мин перед экспонированием для завершения усадочных процессов, которые могут вызвать искажение ри­сунка и уменьшить адгезию.

Проявление рисунка осуществляет­ся в результате химического и механи­ческого воздействия метилхлороформа. За оптимальное время проявления принимается время, в 1,5 раза боль­шее, чем необходимо для полного удаления незадубленного СПФ. Каче­ство операции проявления зависит от пяти факторов: времени проявления, температуры проявления, давления проявителя в камере, загрязнения про­яви геля, степени окончательной про­мывки. По мере накопления в прояви­теле растворенного фоторезиста ско­рость проявления замедляется. После проявления плату необходимо отмыть водой до полного удаления остатков растворителя. Продолжительность опе­рации проявления СПФ-2 при темпе­ратуре проявителя 14–18°С, давлении раствора в камерах 0,15МПа и скоро­сти движения конвейера 2,2 м/мин со­ставляет 40–42 с.

Удаление и проявление фоторезиста осуществляется в машинах струйного типа (ГГМЗ.254.001, АРСМЗ.249.000) в хлористом метилене. Это сильный растворитель, поэтому операция сня­тия фоторезиста должна выполняться быстро (за 20–30 с). В установках пре­дусматривается замкнутый цикл ис­пользования растворителей, после оро­шения плат растворители поступают в дистиллятор, а затем чистые раствори­тели переключаются на повторное ис­пользование.

Экспонирование фоторезиста пред­назначено для инициирования в нем фотохимических реакций и проводит­ся в установках, имеющих источники света (сканирующие или неподвиж­ные) и работающие в ультрафиолето­вой области. Для плотного прилега­ния фотошаблонов к заготовкам плат используют рамы, где создается раз­режение. Установка экспонирования СКЦИ.442152.0001 НПО «Ратон» при рабочем поле загрузочных рам 600×600 мм обеспечивает производитель­ность 15 плат/ч. Время экспозиции ртутной лампой ДРШ-1000 1–5 мин. После экспонирования для заверше­ния темновой фотохимической реак­ции необходима выдержка при ком­натной температуре в течение 30 мин перед удалением лавсановой защит­ной пленки.

Недостатки сухого фоторезиста – не­обходимость приложения механическо­го усилия при накатке, что недопусти­мо для ситалловых подложек, пробле­ма утилизации твердых и жидких от­ходов. На каждые 1000 м 2 материала образуется до 40 кг твердых и 21 кг жидких отходов, утилизация которых является экологической проблемой.

Для получения проводящего рисун­ка на изоляционном основании как сеткографическим, так и фотохимиче­ским способом необходимо применять фотошаблоны, представляющие собой графическое изображение рисунка в масштабе 1:1 на фотопластинках или фотопленке. Фотошаблоны выполня­ют в позитивном изображении при наращивании проводящих участков на лентах и в негативном изображении, когда проводящие участки получают травлением меди с пробельных мест.

Геометрическая точность и качество рисунка ПП обеспечиваются в первую очередь точностью и качеством фото­шаблона, который должен иметь:

– контрастное черно-белое изображе­ние элементов с четкими и ровными границами при оптической плотности черных полей не менее 2,5 ед., прозрачных участков не более 0,2 ед., измеренной на денситомере типа ДФЭ-10;

– минимальные дефекты изображения (темные точки на пробельных местах, прозрачные точки на черных полях), которые не превышают 10–30 мкм;

– точность элементов выполнения рисунка ±0,025 мм.

В большей степени перечисленным требованиям удовлетворяют сверхкон­трастные фотопластинки и пленки «Микрат-Н» (СССР), фотопластинки типа ФТ-41П (СССР), РТ-100 (Япо­ния) и Agfalit (Германия).

В настоящее время применяются два основных способа получения фо­тошаблонов: фотографирование их с фотооригиналов и вычерчивание све­товым лучом на фотопленке с помо­щью координатографов с программ­ным управлением либо лазерным лу­чом. При изготовлении фотооригина­лов рисунок ПП выполняют в увели­ченном масштабе (10:1, 4:1, 2:1) на малоусадочном материале путем вы­черчивания, изготовления аппликаций или резания по эмали. Способ аппли­кации предусматривает наклеивание заранее подготовленных стандартных элементов на прозрачную основу (лав­сан, стекло и др.). Первый способ ха­рактеризуется низкой точностью и большой трудоемкостью, поэтому используется в основном для макетных образцов плат.

Резание по эмали применяют для ПП с высокой плотностью монтажа. Для этого полированное листовое стекло покрывают непрозрачным сло­ем эмали, а вырезание рисунка схемы осуществляют на координатографе с ручным управлением. Точность полу­чения рисунка 0,03–0,05 мм.

Изготовленный фотооригинал фо­тографируют с необходимым умень­шением на высококонтрастную фотопластину с помощью фоторепродук­ционных полиграфических камер типа ПП-12, ЭМ-513, Klimsch (Германия) и получают фотошаблоны, которые могут быть контрольными и рабочи­ми. Для тиражирования и изготовле­ния рабочих, одиночных, а также групповых фотошаблонов применяют метод контактной печати с негатив­ной копии контрольного фотошабло­на. Операция выполняется на мульти­пликаторе модели АРСМ 3.843.000 с точностью ±0,02 мм.

Недостатки такого метода – боль­шая трудоемкость получения фото­оригинала, требующего высококвали­фицированного труда, и трудность равномерного освещения фотоориги­налов значительной площади, что снижает качество фотошаблонов.

Возрастающая сложность и плот­ность рисунка ПП, необходимость увеличения производительности труда привели к разработке метода изготов­ления фотошаблонов сканирующим лучом непосредственно на фотоплен­ке. Для изготовления фотошаблона световым лучом разработаны коорди­натографы с программным управлени­ем. С переходом на машинное проек­тирование плат необходимость вычер­чивания чертежа отпадает, так как по­лученная с ЭВМ перфолента с коор­динатами проводников вводится в считывающее устройство координато­графа, на котором автоматически вы­полняется фотошаблон.

Координатограф (рис. 2.10) состоит из вакуумного стола 8, на котором за­крепляют фотопленку, фотоголовки и блока управления /. Стол перемеща­ется с высокой точностью в двух вза­имно перпендикулярных направлени­ях с помощью прецизионных ходовых винтов 9 и 3, которые приводятся во вращение шаговыми двигателями 2 и 10. Фотоголовка включает осветитель 4, фокусирующую систему 5, круговую диафрагму 6 и фотозатвор 7. Диа­фрагма имеет набор отверстий (25– 70), оформляющих определенный эле­мент рисунка ПП, и закрепляется на валу шагового двигателя. В соответст­вии с программой работы сигналы от блока управления подаются на шаго­вые двигатели привода стола, диа­фрагмы и на осветитель. Современные координатографы (табл. 5.4) снабжа­ются системами автоматического под­держания постоянного светового ре­жима, вывода из ЭВМ информации о фотошаблонах на пленку в масштабах 1:2; 1:1; 2:1; 4:1.

Рис. 5.10. Схема координатографа.