Печатная плата

Плата DVD-плеера. Платы могут быть выполнены в других цветах.

Часть компьютерной платы Sinclair ZX Spectrum 1984 года, печатная плата, показывающая токопроводящие дорожки, переходные отверстия (пути сквозных отверстий к другой поверхности) и некоторые электронные компоненты, установленные с использованием сквозного монтажа.

Печатная плата ( PCB ) или печатная плата ( PWB ) представляет собой ламинированную сэндвич-структуру из проводящего и изолирующего слоев. ПХД выполняют две взаимодополняющие функции. Первый заключается в закреплении электронных компонентов в определенных местах на внешних слоях с помощью пайки . Во-вторых, обеспечить надежные электрические соединения (а также надежные разомкнутые цепи) между клеммами компонента контролируемым образом, часто называемым конструкцией печатной платы. Каждый из проводящих слоев разработан с художественным рисунком проводников .(аналогично проводам на плоской поверхности), который обеспечивает электрические соединения на этом проводящем слое. В другом производственном процессе добавляются переходные отверстия , сквозные отверстия, которые обеспечивают взаимосвязь между слоями.

Печатные платы механически поддерживают электронные компоненты с помощью токопроводящих площадок в форме, предназначенной для приема выводов компонента, а также электрически соединяют их с помощью дорожек, плоскостей и других элементов, вытравленных из одного или нескольких слоев медного листа, ламинированного на и/или между слоями листа не -проводящая подложка. ^[1] Компоненты, как правило, припаиваются к печатной плате как для электрического соединения, так и для механического крепления к ней.

Печатные платы используются практически во всех электронных устройствах. Альтернативы печатным платам включают проволочную обмотку и конструкцию «точка-точка », когда-то популярные, но теперь редко используемые. Для печатных плат требуются дополнительные усилия по проектированию схемы, но производство и сборка могут быть автоматизированы. Электронное программное обеспечение для автоматизированного проектирования доступно для выполнения большей части работы по макетированию. Массовое производство схем с печатными платами дешевле и быстрее, чем с другими методами подключения, поскольку компоненты монтируются и подключаются за одну операцию. Одновременно может быть изготовлено большое количество печатных плат, а разводка выполняется только один раз. ПХД также можно производить вручную в небольших количествах с меньшими преимуществами. ^[2]

Печатные платы могут быть односторонними (один слой меди), двухсторонними (два слоя меди по обе стороны от одного слоя подложки) или многослойными (внешний и внутренний слои меди чередуются со слоями подложки). Многослойные печатные платы обеспечивают гораздо более высокую плотность компонентов, потому что в противном случае дорожки цепей на внутренних слоях заняли бы пространство между компонентами. Рост популярности многослойных печатных плат с более чем двумя и особенно с более чем четырьмя медными плоскостями происходил одновременно с внедрением технологии поверхностного монтажа . Однако многослойные печатные платы значительно усложняют ремонт, анализ и модификацию схем в полевых условиях и, как правило, непрактичны.

Мировой рынок чистых печатных плат превысил 60,2 миллиарда долларов в 2014 году ^[3] и, по оценкам, к 2024 году достигнет 79 миллиардов долларов ^{[4] [5] .}

Обзор

Базовая печатная плата состоит из плоского листа изоляционного материала и слоя медной фольги , приклеенной к подложке. Химическое травление разделяет медь на отдельные проводящие линии, называемые дорожками или дорожками цепи , площадки для соединений, сквозные отверстия для передачи соединений между слоями меди и такие элементы, как сплошные проводящие области для электромагнитного экранирования или других целей. Дорожки функционируют как закрепленные на месте провода и изолированы друг от друга воздухом и материалом подложки платы. Поверхность печатной платы может иметь покрытие, защищающее медь от коррозии и снижающее вероятность короткого замыкания при пайке.между дорожками или нежелательный электрический контакт с оголенными проводами. Из-за своей функции предотвращения короткого замыкания припоя это покрытие называется паяльным резистом или паяльной маской.

Печатная плата может иметь несколько слоев меди, которые почти всегда располагаются парами. Количество слоев и спроектированное между ними соединение (переходные отверстия, PTH) дают общую оценку сложности платы. Использование большего количества слоев позволяет использовать больше вариантов маршрутизации и лучше контролировать целостность сигнала, но также отнимает много времени и средств в производстве. Точно так же выбор переходных отверстий для платы также позволяет точно настроить размер платы, вывести сигналы со сложных ИС, маршрутизировать и обеспечить долгосрочную надежность, но тесно связан со сложностью и стоимостью производства.

Одной из самых простых в производстве плат является двухслойная доска. Он имеет медь с обеих сторон, которые называются внешними слоями; многослойные платы состоят из дополнительных внутренних слоев меди и изоляции. Следующим шагом после двухслойных печатных плат являются четырехслойные. Четырехслойная плата добавляет значительно больше возможностей маршрутизации во внутренних слоях по сравнению с двухслойной платой, и часто некоторая часть внутренних слоев используется в качестве плоскости заземления или плоскости питания для достижения лучшей целостности сигнала, более высоких частот передачи сигналов, более низких электромагнитных помех. , и лучшая развязка источника питания.

Компоненты «сквозного отверстия» монтируются проводниками, проходящими через плату и припаиваемыми к дорожкам с другой стороны. Компоненты для поверхностного монтажа прикрепляются своими выводами к медным дорожкам на той же стороне платы. На плате могут использоваться оба метода монтажа компонентов. Печатные платы с компонентами, монтируемыми только через сквозные отверстия, в настоящее время встречаются редко. Поверхностный монтаж используется для транзисторов , диодов , микросхем , резисторов и конденсаторов. Для некоторых крупных компонентов, таких как электролитические конденсаторы и разъемы , можно использовать сквозной монтаж .

Рисунок, который должен быть выгравирован на каждом медном слое печатной платы, называется «произведением искусства». Травление обычно выполняется с использованием фоторезиста , который наносится на печатную плату, а затем подвергается воздействию света, проецируемого на рисунок художественного произведения. Резист защищает медь от растворения в травильном растворе. Затем протравленную доску очищают. Проект печатной платы можно массово воспроизводить аналогично тому, как фотографии можно массово копировать с пленочных негативов с помощью фотопринтера .

В многослойных платах слои материала ламинируются вместе в чередующемся сэндвиче: медь, подложка, медь, подложка, медь и т. д.; каждая плоскость меди протравливается, а любые внутренние переходные отверстия (которые не выходят на обе внешние поверхности готовой многослойной платы) проходят сквозное покрытие до того, как слои будут ламинированы вместе. Покрывать нужно только внешние слои; внутренние медные слои защищены соседними слоями подложки.

Стеклоэпоксидная смола FR-4 является наиболее распространенной изоляционной подложкой. Другим материалом подложки является хлопчатобумажная бумага , пропитанная фенольной смолой , часто коричневая или коричневая.

Когда на печатной плате нет установленных компонентов, ее менее двусмысленно называют печатной монтажной платой ( PWB ) или травленой монтажной платой . Однако термин «печатная плата» вышел из употребления. Печатная плата, заполненная электронными компонентами, называется сборкой печатной платы ( PCA ), сборкой печатной платы или сборкой печатной платы ( PCBA ). В неофициальном использовании термин «печатная плата» чаще всего означает «печатную плату» (с компонентами). Предпочтительный термин IPC для собранной платы - сборка печатной платы ( CCA ), ^[6]а для собранной объединительной платы это сборка объединительной платы . «Карта» - еще один широко используемый неофициальный термин для обозначения «печатной платы». Например, карта расширения .

Печатная плата может быть напечатана с легендой, идентифицирующей компоненты, контрольные точки или идентифицирующий текст. Первоначально для этой цели использовалась шелкография , но сегодня обычно используются другие, более качественные методы печати. Обычно легенда не влияет на функцию печатной платы.

Печатные платы использовались в качестве альтернативы их обычному использованию в электронной и биомедицинской технике благодаря универсальности их слоев, особенно медного слоя. Слои печатных плат использовались для изготовления датчиков, таких как емкостные датчики давления и акселерометры, приводов, таких как микроклапаны и микронагреватели, а также платформ датчиков и приводов для лабораторий на чипе (LoC), например, для выполнения полимеразной цепи . реакция (ПЦР) и топливные элементы, и это лишь некоторые из них. ^[7]

Разделочная доска

Минимальная печатная плата для одного компонента, используемая для прототипирования , называется коммутационной платой . Назначение коммутационной платы - «разъединить» выводы компонента на отдельных клеммах, чтобы можно было легко подключить их вручную. Разделительные платы особенно используются для компонентов поверхностного монтажа или любых компонентов с мелким шагом свинца.

• Коммутационная плата может обеспечивать взаимосвязь между двумя несовместимыми разъемами.

• Эта коммутационная плата позволяет легко получить доступ к контактам SD-карты , в то же время позволяя осуществлять горячую замену карты.

• Разделительная плата позволяет модулю (в данном случае Bluetooth-модулю) иметь более крупные контакты.

Усовершенствованные печатные платы могут содержать компоненты, встроенные в подложку, такие как конденсаторы и интегральные схемы, для уменьшения объема пространства, занимаемого компонентами на поверхности печатной платы, при одновременном улучшении электрических характеристик. ^[8]

Характеристики

Сквозная технология

В первых печатных платах использовалась технология сквозных отверстий, при которой электронные компоненты монтировались с помощью выводов , вставленных через отверстия на одной стороне платы и припаянных к медным дорожкам на другой стороне. Платы могут быть односторонними, с неметаллизированной стороной компонентов, или более компактными двухсторонними платами, с припаянными с обеих сторон компонентами. Горизонтальная установка сквозных деталей с двумя осевыми выводами (таких как резисторы, конденсаторы, диоды) производится загибанием выводов на 90 градусов в одном направлении, вставкой детали в плату (часто загибом выводов, расположенных на обратной стороне платы). платы в противоположных направлениях для повышения механической прочности детали), припаивание выводов и обрезка концов. Выводы можно припаивать как вручную, так и с помощью аппарата для пайки волной припоя .^[9]

Изготовление сквозных отверстий увеличивает стоимость платы, поскольку требует точного просверливания большого количества отверстий, и ограничивает доступную область трассировки для сигнальных дорожек на слоях, расположенных непосредственно под верхним слоем на многослойных платах, поскольку отверстия должны проходить через все слои к верхнему слою. Обратная сторона. После того, как поверхностный монтаж стал использоваться, там, где это возможно, использовались компоненты SMD небольшого размера, а сквозной монтаж только для компонентов, размер которых не подходит для поверхностного монтажа из-за требований к питанию или механических ограничений, или подверженных механическим нагрузкам, которые могут повредить печатную плату. (например, сняв медь с поверхности платы). ^{[ нужна ссылка ]}

Технология поверхностного монтажа

Технология поверхностного монтажа возникла в 1960-х, набрала обороты в начале 1980-х и стала широко применяться к середине 1990-х. Компоненты были механически переработаны, чтобы иметь небольшие металлические выступы или торцевые заглушки, которые можно было припаивать непосредственно к поверхности печатной платы, вместо проводов, проходящих через отверстия. Компоненты стали намного меньше, а размещение компонентов с обеих сторон платы стало более распространенным, чем при монтаже в сквозное отверстие, что позволило создавать гораздо меньшие сборки печатных плат с гораздо более высокой плотностью схем. Поверхностный монтаж хорошо подходит для высокой степени автоматизации, снижения затрат на рабочую силу и значительного увеличения производительности по сравнению с печатными платами со сквозными отверстиями. Возможна поставка компонентов на несущих лентах. Компоненты для поверхностного монтажа могут иметь от одной четверти до одной десятой размера и веса компонентов для сквозного монтажа. а пассивные компоненты гораздо дешевле. Однако цены на полупроводникиУстройства для поверхностного монтажа (SMD) в большей степени определяются самой микросхемой, чем корпусом, с небольшим ценовым преимуществом по сравнению с более крупными корпусами, а некоторые компоненты с проводными концами, такие как слабосигнальные переключающие диоды 1N4148, на самом деле значительно дешевле, чем SMD-эквиваленты.

Схемные свойства печатной платы

Каждый след состоит из плоской узкой части медной фольги, оставшейся после травления. Его сопротивление , определяемое его шириной, толщиной и длиной, должно быть достаточно низким для тока, который будет нести проводник. Возможно, потребуется, чтобы дорожки питания и заземления были шире, чем дорожки сигнала. В многослойной плате один слой целиком может состоять в основном из сплошной меди, выступающей в качестве заземляющего слоя для экранирования и возврата питания. Для микроволновых цепей линии передачи могут быть проложены в плоской форме , такой как полосковая или микрополосковая , с тщательно контролируемыми размерами для обеспечения постоянного импеданса .. В радиочастотных и быстродействующих схемах индуктивность и емкость проводников печатной платы становятся важными элементами схемы, обычно нежелательными; и наоборот, их можно использовать как преднамеренную часть схемы, например, в фильтрах с распределенными элементами , антеннах и предохранителях , устраняя необходимость в дополнительных дискретных компонентах. Платы межсоединений высокой плотности (HDI) имеют дорожки и/или переходные отверстия шириной или диаметром менее 152 микрометров. ^[10]

Материалы

Печатная плата, соответствующая требованиям RoHS

Во многих странах (включая всех участников европейского единого рынка , ^[11] Великобританию , ^[12] Турцию и Китай ) законодательство ограничивает использование свинца , кадмия и ртути в электрооборудовании. Поэтому печатные платы, продаваемые в таких странах, должны использовать бессвинцовые производственные процессы и бессвинцовый припой, а присоединенные компоненты сами по себе должны соответствовать требованиям. ^{[13] [14]}

Ламинаты

Ламинаты изготавливаются путем отверждения под давлением и температурой слоев ткани или бумаги с термореактивной смолой с образованием цельного конечного изделия одинаковой толщины. Размер может достигать 4 на 8 футов (1,2 на 2,4 м) в ширину и длину. Различное переплетение ткани (количество нитей на дюйм или см), толщина ткани и процентное содержание смолы используются для достижения желаемой конечной толщины и диэлектрических характеристик. Доступная стандартная толщина ламината указана в ANSI/IPC-D-275. ^[15]

Используемая ткань или волокнистый материал, полимерный материал и соотношение ткани и смолы определяют обозначение типа ламината (FR-4, CEM - 1, G-10 и т. д.) и, следовательно, характеристики производимого ламината. Важными характеристиками являются степень огнестойкости ламината , диэлектрическая проницаемость ( _er ), тангенс угла потерь (tan δ), предел прочности при растяжении , прочность на сдвиг , температура стеклования (T _g ) и Z- коэффициент расширения оси (насколько толщина изменяется с температурой).

Существует довольно много различных диэлектриков, которые можно выбрать для обеспечения различных значений изоляции в зависимости от требований схемы. Некоторые из этих диэлектриков представляют собой политетрафторэтилен (тефлон), FR-4, FR-1, CEM-1 или CEM-3. Хорошо известными препрег-материалами, используемыми в производстве печатных плат, являются FR-2 (фенольная хлопковая бумага), FR-3 (хлопчатобумажная бумага и эпоксидная смола), FR-4 (тканое стекло и эпоксидная смола), FR-5 (тканое стекло и эпоксидная смола) , ФР-6 (матовое стекло и полиэстер), Г-10 (тканое стекло и эпоксидная смола), ЦЕМ-1 (хлопковая бумага и эпоксидная смола), ЦЕМ-2 (хлопковая бумага и эпоксидная смола), ЦЕМ-3 (нетканое стекло и эпоксидная смола), СЕМ-4 (тканое стекло и эпоксидная смола), СЕМ-5 (тканое стекло и полиэстер). Тепловое расширение является важным фактором, особенно при использовании решетки с шариками .(BGA) и голые кристаллы, а стекловолокно обеспечивает наилучшую размерную стабильность.

FR-4 на сегодняшний день является наиболее распространенным материалом. Плата с невытравленной медью называется «ламинат с медным покрытием».

С уменьшением размеров элементов платы и повышением частоты все большее значение приобретают небольшие неоднородности, такие как неравномерное распределение стекловолокна или другого наполнителя, изменения толщины и пузырьки в матрице смолы, а также связанные с ними локальные изменения диэлектрической проницаемости.

Основные параметры субстрата

Подложки печатных плат обычно представляют собой диэлектрические композитные материалы. Композиты содержат матрицу (обычно эпоксидную смолу) и армирование (обычно тканые, иногда нетканые, стеклянные волокна, иногда даже бумагу), а в некоторых случаях к смоле добавляют наполнитель (например, керамику; может использоваться титанатная керамика). увеличить диэлектрическую проницаемость).

Тип армирования определяет два основных класса материалов: тканые и нетканые. Плетеная арматура дешевле, но высокая диэлектрическая проницаемость стекла может не подходить для многих высокочастотных применений. Пространственно неоднородная структура также вносит локальные изменения в электрические параметры из-за различного соотношения смола/стекло в разных областях рисунка переплетения. Нетканые армирующие материалы или материалы с низким армированием или без него более дороги, но больше подходят для некоторых радиочастотных/аналоговых приложений.

Подложки характеризуются несколькими ключевыми параметрами, в основном термомеханическими ( температура стеклования , предел прочности на сдвиг , сопротивление сдвигу , тепловое расширение ), электрическими ( диэлектрическая проницаемость , тангенс угла потерь , напряжение пробоя диэлектрика , ток утечки , сопротивление слежения ...) и другими. (например , поглощение влаги ).

При температуре стеклования смола в композите размягчается и значительно увеличивает тепловое расширение; превышение T _g вызывает механическую нагрузку на компоненты платы, например на соединения и переходные отверстия. Ниже T _g тепловое расширение смолы примерно соответствует меди и стеклу, выше оно становится значительно выше. Поскольку армирование и медь удерживают плату вдоль плоскости, практически все объемные расширения переходят в толщину и нагружают сквозные металлизированные отверстия. Многократная пайка или другое воздействие более высоких температур может привести к повреждению покрытия, особенно на более толстых платах; поэтому для толстых плит требуется матрица с высокой T _g .

Используемые материалы определяют диэлектрическую проницаемость подложки. Эта константа также зависит от частоты, обычно уменьшаясь с частотой. Поскольку эта константа определяет скорость распространения сигнала , частотная зависимость вносит фазовые искажения в широкополосные приложения; здесь важна настолько плоская зависимость диэлектрической проницаемости от частотных характеристик, насколько это возможно. Полное сопротивление линий передачи уменьшается с частотой, поэтому более быстрые фронты сигналов отражают больше, чем более медленные.

Напряжение пробоя диэлектрика определяет максимальный градиент напряжения, которому может быть подвергнут материал, прежде чем произойдет пробой (проводимость или искрение через диэлектрик).

Сопротивление трекингу определяет, насколько материал противостоит электрическим разрядам высокого напряжения, расползающимся по поверхности платы.

Тангенс угла потерь определяет, какая часть электромагнитной энергии сигналов в проводниках поглощается материалом платы. Этот фактор важен для высоких частот. Материалы с низкими потерями стоят дороже. Выбор материала с ненужными низкими потерями является распространенной инженерной ошибкой при проектировании высокочастотных цифровых устройств; это увеличивает стоимость досок без соответствующей выгоды. Ухудшение сигнала по тангенсу угла потерь и диэлектрической проницаемости можно легко оценить по глазковой диаграмме .

Поглощение влаги происходит, когда материал подвергается воздействию высокой влажности или воды. И смола, и армирование могут впитывать воду; вода также может пропитываться капиллярными силами через пустоты в материалах и вдоль арматуры. Эпоксидные смолы материалов FR-4 не слишком восприимчивы, их абсорбция составляет всего 0,15%. Тефлон имеет очень низкую абсорбцию 0,01%. С другой стороны, полиимиды и цианатные эфиры обладают высоким водопоглощением. Поглощенная вода может привести к значительному ухудшению основных параметров; это ухудшает сопротивление слежения, напряжение пробоя и диэлектрические параметры. Относительная диэлектрическая проницаемость воды составляет около 73 по сравнению с примерно 4 для обычных материалов для печатных плат. Поглощенная влага также может испаряться при нагреве, как при пайке, и вызывать растрескивание и расслоение, ^[16]тот же эффект вызывает повреждение «попкорна» на влажной упаковке электронных деталей. Перед пайкой может потребоваться тщательная сушка подложек, чтобы они высохли. ^[17]

Общие субстраты

Часто встречающиеся материалы:

• FR-2 , фенольная бумага или фенольная хлопчатобумажная бумага, бумага, пропитанная фенолоформальдегидной смолой . Распространен в бытовой электронике с односторонними платами. Электрические свойства уступают ФР-4. Плохая стойкость к дуге. Обычно рассчитан на 105 ° C.
• ФР-4 — стеклоткань , пропитанная эпоксидной смолой . Низкое водопоглощение (примерно до 0,15%), хорошие изоляционные свойства, хорошая дугостойкость. Очень распространенный. Доступны несколько марок с несколько разными свойствами. Обычно рассчитан на 130 °C.
• Алюминиевая , или металлическая сердцевинная плата , или изолированная металлическая подложка (IMS), плакированная теплопроводным тонким диэлектриком — используется для деталей, требующих значительного охлаждения — силовых ключей, светодиодов. Состоит из обычно однослойной, иногда двухслойной тонкой печатной платы на основе, например, FR-4, ламинированной на алюминиевом листе, обычно толщиной 0,8, 1, 1,5, 2 или 3 мм. Более толстые ламинаты иногда также имеют более толстую медную металлизацию.
• Гибкие подложки - могут быть отдельной фольгой, плакированной медью, или могут быть ламинированы тонким слоем жесткости, например, 50-130 мкм.
  • Kapton или UPILEX , ^[18] полиимидная фольга . Используется для гибких печатных схем , в этой форме распространен в бытовой электронике малого форм-фактора или для гибких межсоединений. Устойчив к высоким температурам.
  • Pyralux , полиимидно-фторполимерная композитная фольга. ^[19] Во время пайки медный слой может расслаиваться.

Менее часто встречающиеся материалы:

• FR-1, как и FR-2, обычно рассчитаны на 105 ° C, некоторые марки рассчитаны на 130 ° C. Перфорация при комнатной температуре. Похож на картон. Плохая влагостойкость. Низкое сопротивление дуги.
• ФР-3, хлопковая бумага, пропитанная эпоксидной смолой. Обычно рассчитан на 105 °C.
• FR-5, тканое стекловолокно и эпоксидная смола, высокая прочность при более высоких температурах, обычно до 170 °C.
• ФР-6, матовое стекло и полиэстер
• G-10, тканое стекло и эпоксидная смола - высокое сопротивление изоляции, низкое влагопоглощение, очень высокая прочность сцепления. Обычно рассчитан на 130 °C.
• G-11, стеклоткань и эпоксидная смола - высокая стойкость к растворителям, сохранение высокой прочности на изгиб при высоких температурах. ^[20] Обычно до 170 °C.
• CEM-1, хлопковая бумага и эпоксидная смола
• CEM-2, хлопковая бумага и эпоксидная смола
• ЦЕМ-3, нетканое стекло и эпоксидная смола
• CEM-4, тканое стекло и эпоксидная смола
• CEM-5, тканое стекло и полиэстер
• PTFE («тефлон») — дорогой, с низкими диэлектрическими потерями, для высокочастотных применений, с очень низким влагопоглощением (0,01%), механически мягкий. Трудно ламинировать, редко используется в многослойных приложениях.
• ПТФЭ с керамическим наполнителем – дорогой, с низкими диэлектрическими потерями, для высокочастотных применений. Изменение соотношения керамика/ПТФЭ позволяет регулировать диэлектрическую проницаемость и тепловое расширение.
• РФ-35, фторопласт, армированный стекловолокном и керамикой. Относительно менее дорогой, хорошие механические свойства, хорошие высокочастотные свойства. ^{[21] [22]}
• Глинозем , керамика. Твердый, хрупкий, очень дорогой, с очень высокими эксплуатационными характеристиками, с хорошей теплопроводностью.
• Полиимид , высокотемпературный полимер. Дорогой, высокоэффективный. Более высокое водопоглощение (0,4%). Может использоваться от криогенных температур до более 260 °C.

Толщина меди

Толщина меди на печатных платах может быть указана напрямую или как вес меди на единицу площади (в унциях на квадратный фут), что легче измерить. Одна унция на квадратный фут составляет 1,344 мила или 34 микрометра толщины. Тяжелая медь представляет собой слой, превышающий три унции меди на фут ² , или приблизительно 0,0042 дюйма (4,2 мила, 105 мкм) толщиной. Тяжелые медные слои используются для сильного тока или для рассеивания тепла.

На обычных подложках FR-4 наиболее распространенной толщиной является 1 унция меди на фут ^{2 (35 мкм);} Толщина 2 унции (70 мкм) и 0,5 унции (17,5 мкм) часто является вариантом. Реже встречаются 12 и 105 мкм, иногда на некоторых подложках доступен 9 мкм. Гибкие подложки обычно имеют более тонкую металлизацию. В платах с металлическим сердечником для устройств большой мощности обычно используется более толстая медь; Обычно 35 мкм, но также можно встретить 140 и 400 мкм.

В США толщина медной фольги указывается в унциях на квадратный фут (oz/ft ² ), обычно называемых просто унциями . Обычно толщина составляет 1/2 унции/фут ² (150 г/м ² ), 1 унция/фут ² (300 г/м ² ), 2 унции/фут ² (600 г/м ² ) и 3 унции/фут ² (900 г/м ² ). Они достигают толщины 17,05 мкм (0,67 тыс . ), 34,1 мкм (1,34 тыс . ), 68,2 мкм (2,68 тыс.) и 102,3 мкм (4,02 тыс.) соответственно. 1/2 унции/фут ^{2фольга не широко используется в качестве готового} медного груза, но используется для наружных слоев, когда покрытие сквозных отверстий увеличивает конечный вес меди . обозначаются как 35 мкм, 35 ​​мкм или 35 мкм).

• 1/0 – обозначает 1 унцию/фут ² меди с одной стороны и отсутствие меди с другой стороны.
• 1/1 – обозначает 1 унцию/фут ² меди с обеих сторон.
• H/0 или H/H – обозначает 0,5 унции/фут ² меди с одной или обеих сторон соответственно.
• 2/0 или 2/2 – обозначает 2 унции/фут ² меди с одной или обеих сторон соответственно.

Сертификация безопасности (США)

Стандарт безопасности UL 796 охватывает требования безопасности компонентов для печатных плат, используемых в качестве компонентов устройств или приборов. При тестировании анализируются такие характеристики, как воспламеняемость, максимальная рабочая температура , электрическое слежение, тепловое отклонение и прямая поддержка токоведущих электрических частей.

Дизайн

Первоначально печатные платы разрабатывались вручную путем создания фотошаблона на прозрачном майларовом листе, обычно в два или четыре раза больше истинного размера. Исходя из принципиальной схемы, контактные площадки компонентов были размещены на майларе, а затем были проложены дорожки для соединения контактных площадок. Сухой перенос общих следов компонентов повышает эффективность. Следы были сделаны самоклеющейся лентой. Предварительно напечатанные невоспроизводимые сетки на майларе помогли в макете. Готовый фотошаблон был воспроизведен фотолитографически на фоторезистивном покрытии заготовок, плакированных медью.

Современные печатные платы разрабатываются с помощью специального программного обеспечения для компоновки, как правило, в следующие этапы: ^{[23] [24]}

1. Захват схемы с помощью инструмента автоматизации электронного проектирования ( EDA ).
2. Размеры карты и шаблон определяются на основе требуемой схемы и корпуса печатной платы.
3. Определены положения компонентов и радиаторов .
4. Стек слоев печатной платы определен от одного до десятков слоев в зависимости от сложности. Решены наземные и силовые самолеты . Плоскость питания является аналогом плоскости земли и ведет себя как земля сигнала переменного тока , обеспечивая питание постоянным током для цепей, установленных на печатной плате. Сигнальные взаимосвязи трассируются на сигнальных плоскостях. Сигнальные плоскости могут быть как на внешнем, так и на внутреннем слое. Для оптимальной защиты от электромагнитных помех высокочастотные сигналы направляются во внутренних слоях между плоскостями питания или заземления. ^[25]
5. Полное сопротивление линии определяется по толщине диэлектрического слоя, толщине медной разводки и ширине дорожки. Разделение трасс также учитывается в случае дифференциальных сигналов. Для маршрутизации сигналов можно использовать микрополосковую , полосковую или двойную полосковую линию.
6. Компоненты размещены. Учитываются тепловые соображения и геометрия. Виа и земли отмечены.
7. Сигнальные трассы маршрутизируются . Средства автоматизации проектирования электроники обычно автоматически создают зазоры и соединения в плоскостях питания и заземления.
8. Данные для изготовления состоят из набора файлов Gerber , файла сверления и файла для установки. ^[24]

Производство

Производство печатных плат состоит из нескольких этапов.

печатная плата CAM

Производство начинается с производственных данных, созданных с помощью автоматизированного проектирования , и информации о компонентах. Производственные данные считываются в программное обеспечение CAM (Computer Aided Manufacturing). САМ выполняет следующие функции:

1. Ввод данных изготовления.
2. Проверка данных
3. Компенсация отклонений в производственных процессах (например, масштабирование для компенсации искажений при ламинировании)
4. Панелизация
5. Вывод цифровых инструментов (медные шаблоны, напильники, контроль и др.)

Панелизация

Несколько небольших печатных плат можно сгруппировать вместе для обработки в виде панели. Панель, состоящая из рисунка, дублированного n раз, также называется n - панелью, тогда как мультипанель объединяет несколько различных дизайнов на одной панели. Внешняя полоса инструментов часто включает в себя отверстия для инструментов , набор реперных точек панели , тестовый образец и может включать заштрихованную медную заливку .или аналогичные узоры для равномерного распределения меди по всей панели во избежание изгиба. Сборщики часто монтируют компоненты на панели, а не на отдельные печатные платы, потому что это эффективно. Панели также могут быть необходимы для плат с компонентами, расположенными рядом с краем платы, поскольку в противном случае плата не может быть установлена ​​во время сборки. В большинстве сборочных цехов требуется свободное пространство не менее 10 мм вокруг платы.

В конечном итоге панель разбивается на отдельные печатные платы вдоль отверстий или канавок в панели ^[26] путем фрезерования или резки. Для фрезерованных панелей обычное расстояние между отдельными досками составляет от 2 до 3 мм. Сегодня удаление панелей часто выполняется с помощью лазеров, которые режут доску бесконтактно. Лазерное разделение панелей снижает нагрузку на хрупкие схемы, повышая выход бездефектных блоков.

Медный рисунок

Первым шагом является воспроизведение шаблона в системе CAM производителя на защитной маске на слоях печатной платы из медной фольги. Последующее травление удаляет ненужную медь, незащищенную маской. (В качестве альтернативы проводящие чернила могут быть нанесены струйным способом на пустую (непроводящую) плату. Этот метод также используется при изготовлении гибридных схем .)

1. Шелкография использует устойчивые к травлению чернила для создания защитной маски.
2. Фотогравировка использует фотомаску и проявитель для выборочного удаления чувствительного к УФ-излучению фоторезистивного покрытия и, таким образом, создания фоторезистивной маски, которая защитит медь под ней. Методы прямой визуализации иногда используются для требований высокого разрешения. Были проведены эксперименты с терморезистом. ^[27] Вместо фотошаблона можно использовать лазер. Это известно как безмасочная литография или прямое изображение.
3. При фрезеровании печатных плат используется двух- или трехосевая механическая система фрезерования для отделения медной фольги от подложки. Фрезерный станок для печатных плат (называемый «Прототип печатных плат») работает аналогично плоттеру , получая команды от основного программного обеспечения, которое управляет положением фрезерной головки по осям x, y и (если применимо) z. .
4. Лазерная абляция резиста Распылите черную краску на ламинат, плакированный медью, поместите в лазерный плоттер с ЧПУ . Лазерный растр сканирует печатную плату и удаляет (испаряет) краску там, где резист не нужен. (Примечание: лазерная абляция меди используется редко и считается экспериментальной. ^{[ Требуется разъяснение ]} )
5. Лазерное травление Медь можно удалить непосредственно с помощью лазера с ЧПУ. Подобно фрезерованию печатных плат выше, это используется в основном для прототипирования.
6. Травление EDM использует электрический разряд для удаления металла с подложки, погруженной в диэлектрическую жидкость .

Выбранный метод зависит от количества изготавливаемых плат и требуемого разрешения.

Большой объем

• Шелкотрафаретная печать — используется для печатных плат с большими функциями.
• Фотогравировка - используется, когда требуются более тонкие детали.

Малый объем

• Напечатайте на прозрачной пленке и используйте в качестве фотомаски вместе с фотосенсибилизированными платами, затем протравите. (В качестве альтернативы используйте пленочный фотоплоттер)
• Лазерная резистентная абляция
• фрезерование печатных плат
• Лазерное травление

любитель

• Резист с лазерной печатью: лазерная печать на бумаге для переноса тонера, термоперенос с помощью утюга или модифицированного ламинатора на голый ламинат, замачивание в водяной бане, подкрашивание маркером, затем травление.
• Виниловая пленка и резист, несмываемый маркер, некоторые другие методы. Трудоемкий, подходит только для одинарных досок.

Субтрактивные, аддитивные и полуаддитивные процессы

Методы вычитания удаляют медь с полностью покрытой медью платы, оставляя только желаемый рисунок меди. В аддитивных методах рисунок наносится гальваническим способом на голую подложку с использованием сложного процесса. Преимущество аддитивного метода заключается в том, что требуется меньше материала и образуется меньше отходов. В полном аддитивном процессе голый ламинат покрывается фоточувствительной пленкой, на которую наносится изображение (подвергается воздействию света через маску, а затем проявляется, удаляя неэкспонированную пленку). Открытые участки сенсибилизируются в химической ванне, обычно содержащей палладий и аналогичной той, которая используется для металлизации сквозных отверстий, что делает открытые участки способными связывать ионы металлов. Затем ламинат покрывается медью на чувствительных участках. Когда маска снята, печатная плата готова.

Полуаддитивный процесс является наиболее распространенным: на плате без рисунка уже есть тонкий слой меди. Затем применяется обратная маска. (В отличие от маски вычитающего процесса, эта маска обнажает те части подложки, которые в конечном итоге станут дорожками.) Затем на плату в незамаскированных областях наносится дополнительный слой меди; медь может быть покрыта до любого желаемого веса. Затем наносятся оловянно-свинцовые или другие поверхностные покрытия. Маска снимается, и в ходе короткого этапа травления с платы удаляется обнаженный оригинальный медный ламинат, изолируя отдельные дорожки. Некоторые односторонние доски со сквозными металлизированными отверстиями изготавливаются таким образом. General Electric производила бытовые радиоприемники в конце 1960-х с использованием аддитивных плат.

(Полу)аддитивный процесс обычно используется для многослойных плат, так как он облегчает металлизацию сквозных отверстий для создания проводящих сквозных отверстий в печатной плате.

Химическое травление

Химическое травление обычно проводят персульфатом аммония или хлоридом железа . Для PTH (сквозных отверстий с покрытием) дополнительные этапы химического осаждения выполняются после того, как отверстия просверлены, затем на медь наносится электроосаждение для увеличения толщины, платы экранируются и покрываются оловом/свинцом. Олово/свинец становится резистом, оставляя голую медь для травления. ^[28]

Самый простой метод, используемый в мелкосерийном производстве и часто используемый любителями, - это травление погружением, при котором плата погружается в раствор для травления, такой как хлорид железа. По сравнению с методами, используемыми для массового производства, время травления велико. К ванне можно прикладывать тепло и перемешивание, чтобы ускорить скорость травления. При пузырьковом травлении воздух пропускается через травильную ванну для перемешивания раствора и ускорения травления. При травлении разбрызгиванием используется лопатка с приводом от двигателя для разбрызгивания травителя на доски; этот процесс устарел с коммерческой точки зрения, поскольку он не такой быстрый, как травление распылением. При травлении распылением раствор травителя распределяется по плате с помощью форсунок и рециркулируется насосами. Регулировка формы сопла, скорости потока, температуры и состава травителя обеспечивает предсказуемый контроль скорости травления и высокую производительность.^[29]

Чем больше меди расходуется с плат, травитель становится насыщенным и менее эффективным; разные травители имеют разную емкость для меди, некоторые из которых достигают 150 граммов меди на литр раствора. При коммерческом использовании травители можно регенерировать для восстановления их активности, а растворенную медь извлекать и продавать. Мелкомасштабное травление требует внимания к утилизации использованного травителя, который вызывает коррозию и токсичность из-за содержания в нем металла. ^[30]

Травитель удаляет медь со всех поверхностей, не защищенных резистом. «Подрез» возникает, когда травитель воздействует на тонкий край меди под резистом; это может уменьшить ширину проводника и вызвать обрыв цепи. Тщательный контроль времени травления необходим для предотвращения подрезов. Если металлическое покрытие используется в качестве резиста, оно может «нависать», что может вызвать короткое замыкание между соседними дорожками, если они расположены близко друг к другу. Нависание можно удалить, обработав плату проволочной щеткой после травления. ^[29]

Ламинирование

Многослойные печатные платы имеют слои трассировки внутри платы. Это достигается путем ламинирования стопки материалов в прессе с применением давления и тепла в течение определенного периода времени. В результате получается цельный цельный продукт. Например, четырехслойную печатную плату можно изготовить, начав с двухстороннего ламината, плакированного медью, протравив схемы с обеих сторон, а затем ламинировав верхний и нижний препрег и медную фольгу. Затем его сверлят, наносят покрытие и снова травят, чтобы получить следы на верхнем и нижнем слоях. ^[31]

Внутренние слои проходят полную машинную проверку перед ламинированием, потому что ошибки не могут быть исправлены впоследствии. Машины для автоматического оптического контроля (AOI) сравнивают изображение платы с цифровым изображением, созданным на основе исходных проектных данных. Машины автоматизированного оптического формирования (AOS) затем могут добавлять недостающую медь или удалять лишнюю медь с помощью лазера, уменьшая количество печатных плат, которые необходимо выбросить. ^[32] Дорожки печатных плат могут иметь ширину всего 10 микрометров.

бурение

Отверстия в печатной плате обычно просверливают сверлом из карбида вольфрама с твердым покрытием . Карбид вольфрама с покрытием используется, потому что материалы платы являются абразивными. Биты из быстрорежущей стали быстро тупились, рвали медь и портили плату. Сверление выполняется с помощью сверлильных станков с компьютерным управлением с использованием файла сверла или файла Excellon, в котором описывается местоположение и размер каждого просверленного отверстия.

Отверстия могут быть сделаны проводящими путем гальванического покрытия или вставки полых металлических проушин для соединения слоев платы. Некоторые токопроводящие отверстия предназначены для ввода выводов сквозных компонентов. Другие, используемые для соединения слоев платы, называются переходными отверстиями .

Когда требуются сквозные отверстия диаметром менее 76,2 микрометра, сверление механическими долотами невозможно из-за высокой скорости износа и поломки. В этом случае сквозные отверстия могут быть просверлены лазером — напылены лазерами . Переходные отверстия, просверленные лазером, обычно имеют более низкое качество поверхности внутри отверстия. Эти отверстия называются микроотверстиями и могут иметь диаметр до 10 микрометров. ^{[33] [34]} С помощью сверления контролируемой глубины , лазерного сверления или предварительного сверления отдельных листов печатной платы перед ламинированием можно получить отверстия, которые соединяют только некоторые медные слои, а не проходят через вся доска. Эти отверстия называются глухими переходными отверстиями .когда они соединяют внутренний медный слой с внешним слоем, или скрытые переходные отверстия , когда они соединяют два или более внутренних медных слоя и не соединяют внешние слои. Лазерные сверлильные станки могут просверливать тысячи отверстий в секунду и могут использовать либо УФ-, либо CO ₂ - лазеры. ^{[35] [36]}

Стенки отверстий для плат с двумя или более слоями можно сделать проводящими, а затем гальванически покрыть их медью для образования сквозных отверстий . Эти отверстия электрически соединяют проводящие слои печатной платы. Для многослойных плат, состоящих из трех и более слоев, при сверлении обычно образуется пятно продуктов высокотемпературного разложения связующего вещества в системе ламината. Перед нанесением отверстий насквозь этот мазок должен быть удален с помощью процесса химического удаления мазка или плазменного травления .. Процесс удаления пятен обеспечивает хорошее соединение с медными слоями, когда отверстие покрыто металлом. На высоконадежных платах процесс, называемый протравливанием, выполняется химически с помощью травителя на основе перманганата калия или плазменного травления. Протравливание удаляет смолу и стекловолокно, так что слои меди проникают в отверстие и по мере покрытия отверстия становятся единым целым с осажденной медью.

Покрытие и покрытие

Правильный выбор покрытия или отделки поверхности может иметь решающее значение для производительности процесса, количества переделок, частоты отказов в полевых условиях и надежности. ^[37]

Печатные платы могут быть покрыты припоем, оловом или золотом поверх никеля. ^{[38] [39]}

После того, как печатные платы протравлены, а затем промыты водой, наносится паяльная маска, а затем любая открытая медь покрывается припоем, никелем/золотом или каким-либо другим антикоррозионным покрытием. ^[40]

Матовый припой обычно плавится, чтобы обеспечить лучшее сцепление поверхности с голой медью. Обработки, такие как бензимидазолтиол , предотвращают окисление поверхности голой меди. Места, к которым будут крепиться компоненты, обычно имеют гальваническое покрытие, потому что необработанная голая медь быстро окисляется и, следовательно, плохо поддается пайке. Традиционно любая открытая медь покрывалась припоем путем выравнивания горячим воздухом (припоем) (HASL, также известная как HAL). Покрытие HASL предотвращает окисление нижележащей меди, тем самым гарантируя пригодную для пайки поверхность. Этот припой был оловянно - свинцовым сплавом, однако теперь используются новые припои для достижения соответствия директиве RoHS в ЕС ., что ограничивает использование свинца. Одним из таких бессвинцовых соединений является SN100CL, состоящий из 99,3% олова, 0,7% меди, 0,05% никеля и номинального содержания германия 60 частей на миллион. ^{[ нужна ссылка ]}

Важно использовать припой, совместимый как с печатной платой, так и с используемыми деталями. Примером может служить массив шариковых решеток (BGA), в котором используются шарики оловянно-свинцового припоя для соединений, теряющих шарики на оголенных медных дорожках, или с использованием бессвинцовой паяльной пасты.

Другими используемыми покрытиями являются органический консервант паяемости (OSP), иммерсионное серебро (IAg), иммерсионное олово (ISn), покрытие иммерсионным никелевым покрытием (ENIG), химическое никелирование, иммерсионное палладиевое золото ( ENEPIG ) и прямое золочение (поверх никеля) . . Краевые разъемы , расположенные вдоль одного края некоторых плат, часто никелируются, а затем позолочиваются с использованием ENIG. Еще одним соображением, касающимся покрытия, является быстрая диффузия металла покрытия в оловянный припой. Олово образует интерметаллиды, такие как Cu ₆ Sn ₅ и Ag ₃Cu, которая растворяется в оловянном ликвидусе или солидусе (при 50 °C), снимая поверхностное покрытие или оставляя пустоты.

Электрохимическая миграция (ЭХМ) представляет собой рост проводящих металлических нитей на печатной плате (ПП) или внутри нее под влиянием смещения постоянного напряжения. ^{[41] [42]} Известно, что серебро, цинк и алюминий отращивают усы под действием электрического поля. Серебро также увеличивает проводящие поверхностные пути в присутствии галогенидов и других ионов, что делает его плохим выбором для использования в электронике. У олова будут расти «усы» из-за натяжения поверхности с покрытием. Покрытие оловянно-свинцовым или припоем также приводит к росту усов, но только за счет уменьшения процентного содержания олова. Оплавление в расплавленный припой или оловянная пластина для снятия поверхностного напряжения снижает количество усов. Другой проблемой покрытия является оловянная болезнь , превращение олова в порошкообразный аллотроп при низкой температуре.^[43]

Применение припоя

Не подлежащие пайке участки можно покрыть паяльной маской (паяльной маской). Паяльная маска — это то, что придает печатным платам их характерный зеленый цвет, хотя она также доступна в нескольких других цветах, таких как красный, синий, фиолетовый, желтый, черный и белый. Один из наиболее распространенных припоев, используемых сегодня, называется «LPI» ( жидкая фотоизображаемая паяльная маска ). ^[44]  На поверхность печатной платы наносится светочувствительное покрытие, затем экспонируется свет через пленку с изображением паяльной маски и, наконец, проявляется там, где незасвеченные области смываются. Сухая паяльная маска похожа на сухую пленку, используемую для изображения печатной платы для нанесения покрытия или травления. После ламинирования на поверхность печатной платы он отображается и проявляется как LPI. Когда-то, но больше не используемая из-за низкой точности и разрешения, эпоксидная краска для трафаретной печати. В дополнение к отталкиванию припоя, припой-резист также обеспечивает защиту меди от окружающей среды, которая в противном случае была бы открыта.

Печать легенды

Легенда часто печатается на одной или обеих сторонах печатной платы. Он содержит обозначения компонентов , положения переключателей, контрольные точки и другие указания, полезные при сборке, тестировании, обслуживании, а иногда и при использовании печатной платы.

Существует три способа печати легенды.

1. Шелкотрафаретная печать эпоксидными чернилами была признанным методом. Это было настолько распространено, что легенду часто ошибочно называют шелком или шелкографией.
2. Жидкое фотоизображение является более точным методом, чем трафаретная печать.
3. Струйная печать находит все более широкое применение. Струйная печать может печатать переменные данные, уникальные для каждого блока PWB, такие как текст или штрих-код с серийным номером .

Тест без платы

Платы без установленных компонентов обычно тестируются на «голых » платах на «короткое замыкание» и «обрыв». Это называется электрическим тестом или электронным тестом печатной платы . Короткое замыкание — это соединение между двумя точками, которые не должны соединяться. Обрыв — это отсутствие связи между точками, которые должны быть соединены. Для крупносерийного производства такое приспособление, как «ложе из гвоздей» в жестком игольчатом адаптере , соприкасается с медными площадками на плате. Приспособление или адаптер требуют значительной фиксированной стоимости, и этот метод экономичен только для крупносерийного или дорогостоящего производства. Для малых и средних объемов производства летающих зондовтестеры используются, когда испытательные щупы перемещаются по плате с помощью привода XY, чтобы установить контакт с медными контактными площадками. Нет необходимости в приспособлении, и, следовательно, фиксированные затраты намного ниже. Система CAM дает указание электрическому тестеру подавать напряжение на каждую точку контакта по мере необходимости и проверять, появляется ли это напряжение на соответствующих точках контакта и только на них.

Сборка

При сборке голая плата заполняется (или «начиняется») электронными компонентами, образуя функциональную сборку печатной платы (PCA), иногда называемую «сборкой печатной платы» (PCBA). ^{[45] [46]} В сквозной технологии выводы компонентов вставляются в отверстия, окруженные токопроводящими контактными площадками ; отверстия удерживают компоненты на месте. В технологии поверхностного монтажа (SMT) компонент размещается на печатной плате так, чтобы контакты совпадали с проводящими контактными площадками или контактными площадками.на поверхностях печатной платы; паяльная паста, предварительно нанесенная на контактные площадки, временно удерживает компоненты на месте; если компоненты для поверхностного монтажа крепятся к обеим сторонам платы, компоненты нижней стороны приклеиваются к плате. Как при сквозном монтаже, так и при поверхностном монтаже компоненты затем припаиваются ; после охлаждения и затвердевания припой постоянно удерживает компоненты на месте и электрически соединяет их с платой.

Существует множество методов пайки , используемых для крепления компонентов к печатной плате. Крупносерийное производство обычно осуществляется с помощью устройства для захвата и установки и объемной пайки волной припоя для деталей со сквозными отверстиями или печей оплавления для компонентов поверхностного монтажа и/или деталей со сквозными отверстиями, но квалифицированные специалисты могут паять очень маленькие детали вручную. например, пакеты 0201 размером 0,02 дюйма на 0,01 дюйма) ^[47] под микроскопом с использованием пинцета и паяльника с тонким жалом для прототипов небольшого объема. Для тонких деталей можно использовать селективную пайку . Некоторые детали SMT нельзя паять вручную, например, BGA .пакеты. Все сквозные компоненты можно припаивать вручную, что делает их предпочтительными для прототипирования, когда размер, вес и использование именно тех компонентов, которые будут использоваться в крупносерийном производстве, не имеют значения.

Часто конструкция для сквозного и поверхностного монтажа должна быть объединена в одной сборке, потому что некоторые необходимые компоненты доступны только в корпусах для поверхностного монтажа, а другие доступны только в корпусах для сквозных отверстий. Или, даже если все компоненты доступны в корпусах для сквозных отверстий, может быть желательно воспользоваться преимуществами уменьшения размера, веса и стоимости, достигаемыми за счет использования некоторых доступных устройств для поверхностного монтажа. Еще одна причина для использования обоих методов заключается в том, что монтаж в сквозное отверстие может обеспечить необходимую прочность компонентов, которые могут выдерживать физические нагрузки (таких как разъемы, которые часто сопрягаются и разъединяются, или которые подключаются к кабелям, которые, как ожидается, будут создавать значительные нагрузки на печатную плату и разъем). интерфейс), в то время как компоненты, которые, как ожидается, останутся нетронутыми, будут занимать меньше места при использовании методов поверхностного монтажа.Для дальнейшего сравнения см . страницу SMT .

После заполнения платы ее можно протестировать различными способами:

• Пока питание выключено, визуальный осмотр , автоматический оптический осмотр . Рекомендации JEDEC по размещению, пайке и осмотру компонентов печатных плат обычно используются для обеспечения контроля качества на этом этапе производства печатных плат.
• В то время как питание выключено, аналоговый анализ подписи , тестирование отключения питания .
• При включенном питании можно выполнить внутрисхемное тестирование , при котором можно выполнить физические измерения (например, напряжение).
• Пока питание включено, функциональный тест , просто проверка того, делает ли печатная плата то, для чего она была разработана.

Для облегчения этих испытаний печатные платы могут быть снабжены дополнительными контактными площадками для временных соединений. Иногда эти площадки должны быть изолированы резисторами. Внутрисхемный тест может также использовать функции тестирования граничного сканирования некоторых компонентов. Внутрисхемные тестовые системы также могут использоваться для программирования компонентов энергонезависимой памяти на плате.

При тестировании граничного сканирования тестовые схемы, интегрированные в различные микросхемы на плате, образуют временные соединения между дорожками печатной платы, чтобы проверить правильность установки микросхем. Тестирование граничного сканирования требует, чтобы все ИС, подлежащие тестированию, использовали стандартную процедуру конфигурации тестирования, наиболее распространенной из которых является стандарт Joint Test Action Group ( JTAG ). Архитектура тестирования JTAG предоставляет средства для тестирования межсоединений между интегральными схемами на плате без использования физических тестовых щупов за счет использования схемы в ИС для использования самих выводов ИС в качестве тестовых щупов. Поставщики инструментов JTAG предоставляют различные типы стимулов и сложные алгоритмы не только для обнаружения неисправных цепей, но и для локализации неисправностей в конкретных цепях, устройствах и выводах.

Когда платы не проходят тест, технические специалисты могут выпаять и заменить неисправные компоненты, что называется доработкой .

Защита и упаковка

Печатные платы, предназначенные для работы в экстремальных условиях, часто имеют конформное покрытие , которое наносится погружением или распылением после пайки компонентов. Покрытие предотвращает коррозию и токи утечки или короткое замыкание из-за конденсации. Самые ранние конформные покрытия были восковыми ; современные конформные покрытия обычно представляют собой растворы разбавленных растворов силиконового каучука, полиуретана, акрила или эпоксидной смолы. Другой метод нанесения конформного покрытия заключается в напылении пластика на печатную плату в вакуумной камере. Основным недостатком конформных покрытий является то, что обслуживание плиты чрезвычайно затруднено. ^[48]

Многие собранные печатные платы чувствительны к статическому электричеству, поэтому при транспортировке их необходимо помещать в антистатические пакеты . При обращении с этими платами пользователь должен быть заземлен (заземлен). Неправильные методы обращения могут привести к передаче накопленного статического заряда через плату, что приведет к повреждению или разрушению компонентов. Повреждение может не сразу сказаться на функционировании, но впоследствии может привести к преждевременному отказу, вызвать периодические сбои в работе или привести к сужению диапазона окружающих и электрических условий, при которых плата функционирует должным образом. Даже голые платы иногда чувствительны к статическому электричеству: дорожки стали настолько тонкими, что их можно разрушить (или изменить их характеристики) статическим разрядом. Это особенно верно для нетрадиционных печатных плат, таких как MCM и микроволновые печатные платы.

Строительство из кордвуда

Конструкция Cordwood может сэкономить значительное пространство и часто использовалась с компонентами с проволочными концами в приложениях, где пространство было в приоритете (например, взрыватели , системы наведения ракет и телеметрические системы), а также в высокоскоростных компьютерах , где были важны короткие трассы. В конструкции из кордвуда компоненты с осевыми выводами устанавливались между двумя параллельными плоскостями. Компоненты либо спаивались между собой проволочной перемычкой, либо соединялись с другими компонентами тонкой никелевой лентой, приваренной под прямым углом к ​​выводам компонентов. ^[49]Во избежание замыкания между собой различных слоев межсоединений между ними были помещены тонкие изолирующие карты. Перфорация или отверстия в картах позволили компонентам вести к следующему слою межсоединений. Одним из недостатков этой системы было то, что специальный никель-свинцовые компоненты должны были использоваться для обеспечения надежных соединительных сварных швов. Дифференциальное тепловое расширение компонента могло оказать давление на выводы компонентов и дорожки печатной платы и вызвать механические повреждения (как это было замечено в нескольких модулях программы Apollo). Кроме того, компоненты, расположенные внутри, трудно заменить. В некоторых версиях конструкции из кордвуда в качестве метода соединения (как показано на рисунке) использовались припаянные односторонние печатные платы, что позволяло использовать компоненты с нормальными выводами за счет сложности удаления плат или замены любого компонента, который не находится на краю.

До появления интегральных схем этот метод допускал максимально возможную плотность размещения компонентов; из-за этого он использовался рядом поставщиков компьютеров, включая Control Data Corporation . Метод конструкции из кордового дерева использовался редко после того, как печатные платы получили широкое распространение, в основном в аэрокосмической или другой электронике с чрезвычайно высокой плотностью.

Многопроволочные платы

Multiwire — это запатентованная технология соединения, в которой используются изолированные провода с машинной разводкой, встроенные в непроводящую матрицу (часто пластиковую смолу). ^[50] Он использовался в 1980-х и 1990-х годах. По состоянию на 2010 год Multiwire все еще был доступен через Hitachi.

Поскольку было довольно легко укладывать межсоединения (провода) внутри матрицы для встраивания, этот подход позволил разработчикам полностью забыть о прокладке проводов (обычно трудоемкой операции проектирования печатной платы): везде, где разработчику нужно соединение, машина нарисуйте провод по прямой линии от одного места/контакта к другому. Это привело к очень короткому времени проектирования (отсутствие сложных алгоритмов для использования даже в проектах с высокой плотностью), а также уменьшению перекрестных помех (что хуже, когда провода идут параллельно друг другу, что почти никогда не происходит в многопроводном), хотя стоимость слишком высока. чтобы конкурировать с более дешевыми технологиями печатных плат, когда необходимы большие количества.

Исправления в топологию платы Multiwire вносить проще, чем в топологию печатной платы. ^[51]

Существуют и другие конкурентоспособные технологии дискретной проводки, которые были разработаны.

История

До разработки печатных плат электрические и электронные схемы были соединены между точками на шасси. Обычно шасси представляло собой раму или поддон из листового металла, иногда с деревянным днищем. Компоненты крепились к шасси, как правило, с помощью изоляторов, когда точка соединения на шасси была металлической, а затем их выводы соединялись напрямую или с помощью перемычек путем пайки , а иногда и с использованием обжимных соединителей, наконечников соединителей проводов на винтовых клеммах или другими способами . . Схемы были большими, громоздкими, тяжелыми и относительно хрупкими (даже если не учитывать хрупкие стеклянные оболочки электронных ламп, которые часто включались в схемы), а производство было трудоемким, поэтому продукция была дорогой.

Разработка методов, используемых в современных печатных платах, началась в начале 20 века. В 1903 году немецкий изобретатель Альберт Хансон описал плоские проводники из фольги, приклеенные к изоляционной плите в несколько слоев. Томас Эдисон экспериментировал с химическими методами нанесения проводников на льняную бумагу в 1904 г. Артур Берри в 1913 г. запатентовал метод печати и травления в Великобритании, а в США Макс Шуп получил патент ^[52] на напыление металла на пламенное напыление. доска через узорчатую маску. Шарль Дюка в 1925 году запатентовал метод нанесения гальванического покрытия. ^[53]

Австрийский инженер Пауль Эйслер изобрел печатную схему как часть радиоприемника, работая в Великобритании примерно в 1936 году. В 1941 году многослойная печатная схема использовалась в немецких морских минах с магнитным воздействием . Примерно в 1943 году США начали широко использовать эту технологию для изготовления неконтактных взрывателей для использования во Второй мировой войне. ^[53]

После войны, в 1948 году, США выпустили изобретение для коммерческого использования. Печатные схемы не стали обычным явлением в бытовой электронике до середины 1950-х годов, после того как в армии США был разработан процесс автоматической сборки . Примерно в то же время в Великобритании работу в том же направлении проводил Джеффри Даммер , тогда работавший в RRDE .

Motorola была одним из первых лидеров по внедрению этого процесса в бытовую электронику, объявив в августе 1952 года о внедрении «схем с покрытием» в домашних радиоприемниках после шести лет исследований и инвестиций в 1 миллион долларов. ^[54] Motorola вскоре начала использовать свой товарный знак для процесса, PLAcir, в своей потребительской радиорекламе. ^[55] 1 ноября 1952 года Hallicrafters выпустила свой первый печатный продукт с фототравлением, часы-радио. ^[56]

Даже когда печатные платы стали доступны, метод построения шасси «точка-точка» оставался широко распространенным в промышленности (например, в телевизорах и Hi-Fi-приборах), по крайней мере, до конца 1960-х годов. Печатные платы были введены для уменьшения размера, веса и стоимости частей схемы. В 1960 году небольшой бытовой радиоприемник мог быть построен со всеми его схемами на одной печатной плате, но телевизор, вероятно, содержал бы одну или несколько печатных плат.

Предшественником изобретения печатных схем и схожим по духу было устройство Джона Саргроува 1936–1947 годов для изготовления электронных схем (ECME), которое напыляло металл на бакелитовую пластиковую плату. ECME мог производить три радиоплаты в минуту.

Во время Второй мировой войны для разработки зенитного бесконтактного взрывателя потребовалась электронная схема, которая могла бы выдержать выстрел из орудия и могла производиться в больших количествах. Подразделение Centralab Globe Union представило предложение, отвечающее требованиям: на керамической пластине будет нанесена трафаретная печать металлической краской для проводников и углеродным материалом для резисторов , с припаянными на место керамическими дисковыми конденсаторами и сверхминиатюрными электронными лампами. ^[57] Техника оказалась жизнеспособной, и получившийся в результате патент на процесс, который был засекречен армией США, был передан Globe Union. Только в 1984 году Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) наградил Гарри Рубинштейна премией.Премия Кледо Брунетти за ранний ключевой вклад в разработку печатных компонентов и проводников на общей изолирующей подложке. В 1984 году Рубинштейн был награжден своей alma mater, Университетом Висконсин-Мэдисон , за инновации в технологии печатных электронных схем и производстве конденсаторов. ^{[58] [59]} Это изобретение также представляет собой шаг в развитии технологии интегральных схем , поскольку не только проводка, но и пассивные компоненты были изготовлены на керамической подложке.

Первоначально у каждого электронного компонента были выводы проводов , а на печатной плате были просверлены отверстия для каждого провода каждого компонента. Затем выводы компонентов были вставлены в отверстия и припаяны к медным дорожкам печатной платы. Такой способ сборки называется сквозной конструкцией . В 1949 году Мо Абрамсон и Станислав Ф. Данко из Корпуса связи армии США разработали процесс автоматической сборки , в котором выводы компонентов вставлялись в схему межсоединений из медной фольги и припаивались погружением . Патент, полученный ими в 1956 году, был передан армии США. ^[60] С развитием технологий ламинирования и травления досок.методы, эта концепция превратилась в стандартный процесс изготовления печатных плат, используемый сегодня. Пайку можно было выполнять автоматически, пропуская плату по ряби или волне расплавленного припоя в машине для пайки волной припоя . Однако проволока и отверстия неэффективны, поскольку сверление отверстий дорого и требует сверл, а торчащие проволоки отрезаются и выбрасываются.

Начиная с 1980-х годов вместо сквозных компонентов все чаще используются небольшие детали для поверхностного монтажа; это привело к созданию плат меньшего размера для заданной функциональности и снижению производственных затрат, но с некоторыми дополнительными трудностями при обслуживании неисправных плат.

В 1990-е годы использование многослойных поверхностных плит стало более частым. В результате размер был дополнительно минимизирован, и в различные устройства были включены как гибкие, так и жесткие печатные платы. В 1995 году производители печатных плат начали использовать технологию микропереходов для производства печатных плат с межсоединениями высокой плотности (HDI). ^[61]

Технология HDI обеспечивает более плотную конструкцию печатной платы и значительно меньшие размеры компонентов. В результате компоненты могут быть ближе, а пути между ними короче. HDI используют глухие / скрытые переходные отверстия или их комбинацию, включающую микроотверстия. С многослойными печатными платами HDI взаимосвязь многослойных переходных отверстий еще прочнее, что повышает надежность в любых условиях. Наиболее распространенными приложениями для технологии HDI являются компоненты компьютеров и мобильных телефонов, а также медицинское оборудование и военное оборудование связи. 4-слойная печатная плата HDI с микропереходами по качеству эквивалентна 8-слойной печатной плате со сквозными отверстиями. Однако стоимость намного ниже. ^{[ непонятно ]}

Недавние достижения в области 3D-печати привели к появлению нескольких новых методов создания печатных плат. 3D-печатная электроника (PE) может использоваться для печати элементов слой за слоем, а затем элемент может быть напечатан жидкими чернилами, которые содержат электронные функции.

Производители могут не поддерживать ремонт печатных плат на уровне компонентов из-за относительно низкой стоимости замены по сравнению со временем и стоимостью устранения неполадок на уровне компонентов. При ремонте на уровне платы технический специалист определяет плату (PCA), на которой возникла неисправность, и заменяет ее. Этот переход экономически эффективен с точки зрения производителя, но также является расточительным с материальной точки зрения, поскольку печатная плата с сотнями функциональных компонентов может быть выброшена и заменена из-за отказа одной незначительной и недорогой детали, такой как резистор или конденсатор. Эта практика вносит значительный вклад в проблему электронных отходов . ^[62]

Смотрите также

• Макет
• CID+
• Дизайн для технологичности (PCB)
• Электронная упаковка
• Электронных отходов
• Микрофоника
• Многочиповый модуль
• Процесс Оккама - еще один процесс производства печатных плат.
• Строительство «точка-точка»
• Печатная электроника – создание компонентов методом печати
• Фрезеровка печатной платы
• Печатная электронная схема - похожее название, другая часть
• Штампованная печатная плата
• Стриптиз
• Вероборд
• Обмотка проволоки

материалы для печатных плат

• Проводящие чернила
• Материалы ламината :
  • BT-эпоксидная смола
  • Композитный эпоксидный материал ЦЕМ-1,5
  • Цианат эфир
  • ФР-2
  • FR-4 , самый распространенный материал для печатных плат
  • Полиимид
  • ПТФЭ , политетрафторэтилен (тефлон)

ПО для разводки печатных плат

• Список компаний ЭДА
• Сравнение программного обеспечения EDA

использованная литература

дальнейшее чтение

• Тавернье, Карел (сентябрь 2015 г.). «Данные для изготовления печатных плат — передача данных от проекта к изготовлению» (PDF) . V6. Архивировано (PDF) из оригинала 08 марта 2022 г .. Проверено 9 мая 2022 г. .(45 страниц)
• «Спецификация формата Gerber» (PDF) . Редакция 2019.06. Укамко НВ. Июнь 2019 г. Архивировано (PDF) из оригинала 01 апреля 2022 г .. Проверено 9 мая 2022 г. .(194 страницы)
• Колотти, Джеймс (2022). «Аналоговые, радиочастотные и электромагнитные характеристики при проектировании печатных плат (PWB)» (PDF) . Редакция 5. IEEE , секция Лонг-Айленда. Архивировано (PDF) из оригинала 08 мая 2022 г .. Проверено 9 мая 2022 г. .(81 страница)

внешние ссылки

В Викиучебнике по практической электронике есть страница на тему: Компоновка печатной платы .

В Викиучебнике по практической электронике есть страница на тему: размеры отверстий для деталей со сквозными отверстиями .

Викискладе есть медиафайлы, связанные с печатными платами .