Печатная плата

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Печатная плата»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( октябрь 2016 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Печатная плата DVD-плеера. Обычно печатные платы зеленого цвета, но могут быть выполнены и в других цветах.

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

Печатная плата ( PCB ) механически поддерживает и электрический соединяет электрические или электронные компоненты с помощью проводящих дорожек, колодки и других особенности травления из одного или нескольких слоев листов из меди , ламинированных на и / или между листовыми слоями непроводящей подложки. Компоненты обычно припаиваются к печатной плате для электрического соединения и механического крепления их к ней.

Печатные платы используются во всех электронных продуктах, кроме самых простых. Они также используются в некоторых электротехнических изделиях, таких как пассивные распределительные коробки.

Альтернативы печатным платам включают проволочную обмотку и конструкцию « точка-точка» , которые когда-то были популярны, но теперь используются редко. Печатные платы требуют дополнительных усилий при проектировании схемы, но производство и сборку можно автоматизировать. Доступно программное обеспечение для электронного компьютерного проектирования, которое выполняет большую часть работы по верстке. Серийное производство схем с печатными платами дешевле и быстрее, чем с другими методами подключения, поскольку компоненты монтируются и подключаются за одну операцию. Одновременно можно изготавливать большое количество печатных плат, а компоновку нужно выполнять только один раз. Печатные платы также можно изготавливать вручную в небольших количествах с меньшими преимуществами.

Печатные платы могут быть односторонними (один слой меди), двусторонними (два слоя меди с обеих сторон одного слоя подложки) или многослойными (внешний и внутренний слои меди, чередующиеся со слоями подложки). Многослойные печатные платы допускают гораздо более высокую плотность компонентов, поскольку в противном случае дорожки на внутренних слоях занимали бы пространство на поверхности между компонентами. Рост популярности многослойных печатных плат с более чем двумя, а особенно с более чем четырьмя медными плоскостями, совпал с принятием технологии поверхностного монтажа . Однако многослойные печатные платы значительно усложняют ремонт, анализ и модификацию схем в полевых условиях и обычно нецелесообразны.

Мировой рынок печатных плат без покрытия превысил 60,2 миллиарда долларов в 2014 году ^[1] и, по оценкам, достигнет 79 миллиардов долларов к 2024 году. ^{[2] [3]}

Обзор [ править ]

Базовая печатная плата состоит из плоского листа изоляционного материала и слоя медной фольги , прикрепленного к подложке. Химическое травление разделяет медь на отдельные проводящие линии, называемые дорожками или дорожками цепи , контактные площадки для соединений, переходные отверстия для прохода 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, которое защищает медь от коррозии и снижает вероятность короткого замыкания при пайке.между следами или нежелательным электрическим контактом с блуждающими оголенными проводами. Из-за своей функции предотвращения короткого замыкания при пайке покрытие называется припойным резистом или паяльной маской.

Печатная плата может иметь несколько слоев меди. Двухслойная плата имеет медь с обеих сторон; В многослойных плитах между слоями изоляционного материала закладываются дополнительные слои меди. Проводники на разных слоях соединены переходными отверстиями , которые представляют собой медные отверстия, которые функционируют как электрические туннели через изолирующую подложку. Выводы компонентов через отверстия иногда также эффективно действуют как переходные отверстия. После двухслойных печатных плат следующим шагом обычно является четырехслойная. Часто два слоя используются как плоскости питания и заземления , а два других используются для сигнальной проводки между компонентами.

Компоненты со сквозным отверстием монтируются с помощью выводов проводов, проходящих через плату и припаянных к дорожкам на другой стороне. Компоненты для поверхностного монтажа присоединяются выводами к медным дорожкам на той же стороне платы. Плата может использовать оба метода для установки компонентов. Печатные платы с компонентами, монтируемыми только в сквозное отверстие, сейчас редкость. Поверхностный монтаж применяется для транзисторов , диодов , микросхем , резисторов и конденсаторов. Монтаж в сквозное отверстие может использоваться для некоторых крупных компонентов, таких как электролитические конденсаторы и разъемы.

Рисунок, который наносится на каждый медный слой печатной платы, называется «художественным произведением». Травление обычно выполняется с помощью фоторезиста, который наносится на печатную плату, а затем подвергается воздействию света, проецируемого на рисунок изображения. Материал резиста защищает медь от растворения в травильном растворе. Затем протравленную доску очищают. Дизайн печатной платы может быть воспроизведен массово аналогично тому, как фотографии могут быть скопированы с пленочных негативов с помощью фотопринтера .

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

Стекло-эпоксидная смола FR-4 является наиболее распространенной изоляционной подложкой. Другой материал подложки - хлопковая бумага, пропитанная фенольной смолой , часто желто-коричневой или коричневой.

Когда на печатной плате нет установленных компонентов, ее менее двусмысленно называют печатной монтажной платой ( PWB ) или травленной монтажной платой . Однако термин «печатная монтажная 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 «сборка печатной платы» (с компонентами). МКИ предпочтительного термин для собранных плат печатной платы в сборе ( CCA ), ^[4]а для собранных объединительных плат это сборки объединительных плат . «Карта» - еще один широко используемый неформальный термин для обозначения «печатной платы». Например, карта расширения .

На печатной плате может быть напечатана легенда, идентифицирующая компоненты, контрольные точки или идентифицирующий текст. Первоначально для этой цели использовалась шелкография , но сегодня обычно используются другие методы печати более высокого качества. Обычно легенда не влияет на работу печатной платы.

Минимальная печатная плата для одного компонента, используемая для прототипирования , называется коммутационной платой . Назначение коммутационной платы состоит в том, чтобы «вывести из строя» выводы компонента на отдельных клеммах, чтобы можно было легко выполнить подключение к ним вручную. Разъемные платы особенно используются для компонентов поверхностного монтажа или любых компонентов с мелким шагом выводов.

Усовершенствованные печатные платы могут содержать компоненты, встроенные в подложку, такие как конденсаторы и интегральные схемы, для уменьшения количества места, занимаемого компонентами на поверхности печатной платы, при одновременном улучшении электрических характеристик. ^[5]

Характеристики [ править ]

Технология сквозного отверстия [ править ]

В первых печатных платах использовалась технология сквозных отверстий, электронные компоненты крепились с помощью выводов, вставленных в отверстия на одной стороне платы и припаянных к медным дорожкам на другой стороне. Платы могут быть односторонними, с компонентной стороной без покрытия, или более компактными двусторонними платами, с компонентами, припаянными с обеих сторон. Горизонтальная установка деталей со сквозными отверстиями с двумя осевыми выводами (таких как резисторы, конденсаторы и диоды) выполняется путем изгиба выводов на 90 градусов в одном направлении, вставки детали в плату (часто сгибая выводы, расположенные на задней стороне платы). платы в противоположных направлениях, чтобы улучшить механическую прочность детали), припаяв выводы и обрезав концы. Выводы можно паять вручную или с помощью пайки волной припоя .^[6]

Изготовление сквозных отверстий увеличивает стоимость платы, требуя точного просверливания многих отверстий, и ограничивает доступную область трассировки для дорожек сигналов на слоях, расположенных непосредственно под верхним слоем на многослойных платах, поскольку отверстия должны проходить через все слои в Обратная сторона. После начала использования поверхностного монтажа по возможности использовались SMD-компоненты небольшого размера, с монтажом в сквозное отверстие только тех компонентов, которые не подходят для поверхностного монтажа из-за требований к питанию или механических ограничений, или подверженных механическим нагрузкам, которые могут повредить печатную плату. (например, подняв медь с поверхности платы). ^{[ необходима цитата ]}

Технология поверхностного монтажа [ править ]

Технология поверхностного монтажа появилась в 1960-х годах, набрала обороты в начале 1980-х и стала широко использоваться к середине 1990-х. Компоненты были механически переработаны, чтобы иметь небольшие металлические выступы или торцевые заглушки, которые можно было припаять непосредственно к поверхности печатной платы, вместо проводов, проходящих через отверстия. Компоненты стали намного меньше, и размещение компонентов на обеих сторонах платы стало более распространенным, чем при установке в сквозные отверстия, что позволило создавать гораздо меньшие сборки печатных плат с гораздо более высокой плотностью схем. Поверхностный монтаж хорошо поддается высокой степени автоматизации, сокращению затрат на рабочую силу и значительному увеличению производительности по сравнению с монтажными платами со сквозными отверстиями. Компоненты могут поставляться смонтированными на несущих лентах. Компоненты для поверхностного монтажа могут составлять от четверти до одной десятой размера и веса компонентов, устанавливаемых в сквозное отверстие,а пассивные компоненты намного дешевле. Однако цены на полупроводникиУстройства для поверхностного монтажа (SMD) определяются в большей степени самим чипом, чем корпусом, с небольшим преимуществом в цене по сравнению с более крупными корпусами, а некоторые компоненты с проводным концом , такие как малосигнальные переключающие диоды 1N4148, на самом деле значительно дешевле, чем эквиваленты SMD.

Свойства схемы печатной платы [ править ]

Каждый след состоит из плоской узкой части медной фольги, которая остается после травления. Его сопротивление , определяемое его шириной, толщиной и длиной, должно быть достаточно низким для тока, который будет проводить проводник. Трассы питания и заземления могут быть шире, чем трассы сигналов. В многослойной плате один весь слой может быть в основном сплошной медью, чтобы действовать как заземляющий слой 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 схемах и схемах с быстрым переключением индуктивность и емкость проводников печатной платы становятся важными элементами схемы, обычно нежелательными; и наоборот, их можно использовать как целенаправленную часть схемотехники, 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 с шириной или диаметром менее 152 микрометров. ^[7]

Материалы [ править ]

Печатная плата, совместимая с RoHS [ править ]

Европейский Союз запрещает использование свинца (среди других тяжелых металлов) в потребительских товарах - это законодательный акт, называемый директивой RoHS об ограничении использования опасных веществ. Печатные платы, продаваемые в ЕС, должны соответствовать требованиям RoHS, что означает, что все производственные процессы не должны включать использование свинца, весь используемый припой должен быть бессвинцовым, а все компоненты, установленные на плате, не должны содержать свинца, ртути, кадмий и другие тяжелые металлы. ^{[8] [9]}

Ламинат [ править ]

Ламинат изготавливается путем отверждения под давлением и температурой слоев ткани или бумаги с термореактивной смолой с образованием единого конечного куска однородной толщины. Размер может достигать 4 на 8 футов (1,2 на 2,4 м) в ширину и длину. Для достижения желаемой конечной толщины и диэлектрических характеристик используются различные переплетения ткани (количество нитей на дюйм или см), толщина ткани и процентное содержание смолы . Доступная стандартная толщина ламината указана в ANSI / IPC-D-275. ^[10]

Используемый тканевый или волокнистый материал, полимерный материал и соотношение ткани к смоле определяют обозначение типа ламината (FR-4, CEM-1, G-10 и т. Д.) И, следовательно, характеристики производимого ламината. Важными характеристиками являются уровень огнестойкости ламината , диэлектрическая проницаемость (e _r ), коэффициент потерь (tδ), прочность на разрыв, прочность на сдвиг , температура стеклования (T _g ) и ось Z коэффициент расширения (насколько толщина изменяется в зависимости от температуры).

Существует довольно много различных диэлектриков, которые могут быть выбраны для обеспечения различных значений изоляции в зависимости от требований схемы. Некоторые из этих диэлектриков - это политетрафторэтилен (тефлон), FR-4, FR-1, CEM-1 или CEM-3. Хорошо известными материалами препрега, используемыми в производстве печатных плат, являются FR-2 (фенольная хлопковая бумага), FR-3 (хлопковая бумага и эпоксидная смола), FR-4 (тканое стекло и эпоксидная смола), FR-5 (тканое стекло и эпоксидная смола). , FR-6 (матовое стекло и полиэстер), G-10 (тканое стекло и эпоксидная смола), CEM-1 (хлопковая бумага и эпоксидная смола), CEM-2 (хлопчатобумажная бумага и эпоксидная смола), CEM-3 (нетканое стекло и эпоксидная смола), CEM-4 (тканое стекло и эпоксидная смола), CEM-5 (тканое стекло и полиэстер). Тепловое расширение является важным фактором, особенно в случае с решеткой из шариков. (BGA) и технологии голой матрицы, а стекловолокно обеспечивает наилучшую стабильность размеров.

FR-4 - безусловно, самый распространенный материал, используемый сегодня. Картон с нетравленой медью называется «ламинат с медным покрытием».

С уменьшением размеров элементов платы и увеличением частоты мелкие 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, приобретают все большее значение.

Основные параметры субстрата [ править ]

Подложки печатных плат обычно представляют собой диэлектрические композитные материалы. Композиты содержат матрицу (обычно эпоксидную смолу) и арматуру (обычно тканые, иногда нетканые, стекловолокна, иногда даже бумагу), а в некоторых случаях к смоле добавляют наполнитель (например, керамика; может использоваться титанатная керамика. для увеличения диэлектрической проницаемости).

Тип армирования определяет два основных класса материалов: тканые и нетканые. Тканая 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 на разных участках рисунка плетения. Нетканые армирующие материалы или материалы с низким армированием или без него более дороги, но более подходят для некоторых радиочастотных / аналоговых приложений.

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

При температуре стеклования смола в композите размягчается и значительно увеличивает тепловое расширение; превышение T _g вызывает механическую перегрузку компонентов платы - например, стыков и переходных отверстий. Ниже T _g тепловое расширение смолы примерно соответствует меди и стеклу, а выше - значительно выше. Поскольку арматура и медь ограничивают доску вдоль плоскости, практически все объемное расширение выступает в толщину и вызывает напряжение в сквозных отверстиях. Повторная пайка или другое воздействие более высоких температур может вызвать повреждение покрытия, особенно на более толстых платах; поэтому для толстых плит требуется матрица с высокой Т _g .

Используемые материалы определяют диэлектрическую проницаемость подложки. Эта постоянная 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 максимально низкая диэлектрическая проницаемость относительно частотных характеристик. Импеданс линий передачи уменьшается с увеличением частоты, поэтому более быстрые фронты сигналов отражают больше, чем более медленные.

Напряжение пробоя диэлектрика определяет максимальный градиент напряжения, которому может подвергаться материал до того, как произойдет пробой (проводимость или образование дуги через диэлектрик).

Сопротивление слежения определяет, насколько материал противостоит электрическим разрядам высокого напряжения, распространяющимся 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 малыми потерями дороже. Выбор материала с излишне низкими потерями - распространенная инженерная ошибка в высокочастотном цифровом дизайне; это увеличивает стоимость досок без соответствующей выгоды. Ухудшение сигнала по тангенсу потерь и диэлектрической проницаемости можно легко оценить по глазковой диаграмме .

Поглощение влаги происходит, когда материал подвергается воздействию высокой влажности или воды. И смола, и арматура могут поглощать воду; вода также может пропитываться капиллярными силами через пустоты в материалах и вдоль арматуры. Эпоксидные смолы материалов FR-4 не слишком восприимчивы, с абсорбцией 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; он ухудшает трекинговое сопротивление, напряжение пробоя и диэлектрические параметры. Относительная диэлектрическая проницаемость воды составляет около 73, по сравнению с примерно 4 для обычных материалов печатных плат. Поглощенная влага также может испаряться при нагревании, как при пайке, и вызывать растрескивание и расслоение ^[11]тот же эффект вызывает повреждение "попкорнинга" на влажной упаковке электронных компонентов. Перед пайкой может потребоваться тщательный обжиг подложек для их сушки. ^[12]

Общие субстраты [ править ]

Часто встречающиеся материалы:

• FR-2 , фенольная бумага или фенольная хлопковая бумага, бумага, пропитанная фенолформальдегидной смолой . Распространен в бытовой электронике с односторонними платами. По электрическим свойствам уступает FR-4. Плохое сопротивление дуги. Обычно рассчитан на 105 ° C.
• FR-4 , тканая ткань из стекловолокна, пропитанная эпоксидной смолой . Низкое водопоглощение (примерно до 0,15%), хорошие изоляционные свойства, хорошая устойчивость к дуге. Очень распространенный. Доступно несколько марок с несколько разными свойствами. Обычно рассчитан на 130 ° C.
• Алюминий , или металлическая основная плата, или изолированная металлическая подложка (IMS), плакированная тонким теплопроводящим диэлектриком - используется для деталей, требующих значительного охлаждения - силовых переключателей, светодиодов. Обычно состоит из 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 - это может быть отдельная фольга, плакированная медью, или могут быть ламинированы с тонким элементом жесткости, например, 50-130 мкм.
  • Каптоновая или Upilex , ^[13] полиимидной пленки. Используется для гибких печатных схем , в этой форме обычно используется в бытовой электронике малого форм-фактора или для гибких межсоединений. Устойчив к высоким температурам.
  • Pyralux , композитная фольга полиимид-фторполимер. ^[14] Медный слой может расслаиваться во время пайки.

Реже встречающиеся материалы:

• FR-1, как и FR-2, обычно рассчитан на температуру 105 ° C, некоторые марки рассчитаны на температуру 130 ° C. Перфорирование при комнатной температуре. Похож на картон. Плохая влагостойкость. Низкое сопротивление дуги.
• FR-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.
• FR-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, тканое стекло и эпоксидная смола - высокая стойкость к растворителям, высокая прочность на изгиб при высоких температурах. ^[15] Обычно рассчитаны на 170 ° C.
• ЦЕМ-1, хлопковая бумага и эпоксидная смола
• ЦЕМ-2, хлопковая бумага и эпоксидная смола
• ЦЕМ-3, флизелин и эпоксидная смола
• CEM-4, тканое стекло и эпоксидная смола
• CEM-5, тканое стекло и полиэстер
• PTFE , («тефлон») - дорогой, низкие диэлектрические потери, для высокочастотных применений, очень низкое влагопоглощение (0,01%), механически мягкий. Трудно ламинировать, редко используется в многослойных покрытиях.
• ПТФЭ с керамическим наполнением - дорогой, низкие диэлектрические потери, для высокочастотных применений. Изменяющееся соотношение керамика / ПТФЭ позволяет регулировать диэлектрическую проницаемость и тепловое расширение.
• RF-35, PTFE, армированный стекловолокном. Относительно менее дорогой, хорошие механические свойства, хорошие высокочастотные свойства. ^{[16] [17]}
• Глинозем , керамика. Твердый, хрупкий, очень дорогой, с очень высокими характеристиками, хорошей теплопроводностью.
• Полиимид , высокотемпературный полимер. Дорого, качественно. Более высокое водопоглощение (0,4%). Может использоваться от криогенных температур до более 260 ° C.

Толщина меди [ править ]

Толщина меди на печатных платах может быть указана напрямую или как вес меди на единицу площади (в унциях на квадратный фут), который легче измерить. Одна унция на квадратный фут имеет толщину 1,344 мил или 34 микрометра. Тяжелая медь представляет собой слой, превышающий три унции меди на фут ² , или примерно 0,0042 дюйма (4,2 мил, 105 мкм). Плотные слои меди используются для высокого тока или для отвода тепла.

На обычных подложках FR-4 наиболее распространенной толщиной является 1 унция меди на фут ² (35 мкм); Часто можно выбрать толщину 2 унции (70 мкм) и 0,5 унции (18 мкм). Реже встречаются 12 и 105 мкм, на некоторых подложках иногда бывает 9 мкм. Гибкие подложки обычно имеют более тонкую металлизацию. Платы с металлическим сердечником для мощных устройств обычно используют более толстую медь; Обычно 35 мкм, но встречаются также 140 и 400 мкм.

Сертификат безопасности (США) [ править ]

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

Дизайн [ править ]

Первоначально печатные платы создавались вручную путем создания фотошаблона на прозрачном майларовом листе, обычно в два или четыре раза превышающем истинный размер. Исходя из принципиальной схемы, контактные площадки компонентов были выложены на майлар, а затем были проложены дорожки для соединения контактных площадок. Нанесение сухим методом протирания общих посадочных мест компонентов повысило эффективность. Следы оставлены самоклеящейся лентой. Предварительно напечатанные невоспроизводящиеся сетки на майларе помогли в макете. Готовая фотошаблона фотолитографически воспроизведена на фоторезистном покрытии пустых покрытых медью плат.

Современные печатные платы разрабатываются с помощью специального программного обеспечения для компоновки, как правило, в следующие этапы: ^[18]

1. Схематический захват с помощью инструмента автоматизации электронного проектирования ( EDA ).
2. Размеры и шаблон карты определяются в зависимости от требуемой схемы и корпуса печатной платы.
3. Определено расположение компонентов и радиаторов .
4. Определен стек слоев печатной платы, от одного до десятков слоев в зависимости от сложности. Определены плоскости земли и питания . Плоскость питания является аналогом плоскости заземления и ведет себя как заземление для сигнала переменного тока , обеспечивая питание постоянного тока схемам, установленным на печатной плате. Сигнальные соединения отслеживаются на сигнальных плоскостях. Сигнальные плоскости могут быть как на внешнем, так и на внутреннем слоях. Для оптимальной защиты от электромагнитных помех высокочастотные сигналы направляются во внутренние слои между плоскостями питания или земли. ^[19]
5. Импеданс линии определяется с помощью толщины диэлектрического слоя, толщины проводящей меди и ширины трассы. Разделение трасс также учитывается в случае дифференциальных сигналов. Для маршрутизации сигналов можно использовать микрополосковые , полосковые или двойные полосковые линии.
6. Компоненты размещены. Учитываются термические соображения и геометрия. Отмечены переходы и земли.
7. Сигнальные дорожки будут проложены . Инструменты автоматизации электронного проектирования обычно автоматически создают зазоры и соединения в плоскости питания и заземления.
8. Файлы Gerber создаются для производства.

Производство [ править ]

Изготовление печатной платы состоит из множества этапов.

PCB CAM [ править ]

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

1. Ввод производственных данных.
2. Проверка данных
3. Компенсация отклонений в производственных процессах (например, масштабирование для компенсации искажений при ламинировании)
4. Панелирование
5. Вывод цифровых инструментов (медные шаблоны, файлы сверления, осмотр и др.)

Панелирование [ править ]

Несколько небольших печатных плат могут быть сгруппированы вместе для обработки в виде панели. Панель, состоящая из n- кратного дублирования дизайна, также называется n -панелью, тогда как мультипанель объединяет несколько разных дизайнов на одной панели. Наружная инструментальная полоса часто включает в себя инструментальные отверстия , набор реперных точек панели , тестовый купон и может включать заштрихованную медную заливку.или аналогичные схемы для равномерного распределения меди по всей панели во избежание изгиба. Сборщики часто устанавливают компоненты на панели, а не на отдельные печатные платы, потому что это эффективно. Панелирование также может быть необходимо 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 доски.

Панель в конечном итоге разбивается на отдельные печатные платы по перфорации или канавкам в панели ^[20] путем фрезерования или резки. Для фрезерованных панелей общее расстояние между отдельными досками составляет от 2 до 3 мм. Сегодня депанелирование часто выполняется лазером, который бесконтактно разрезает доску. Лазерная депанелирование снижает нагрузку на хрупкие цепи, повышая выход бездефектных устройств.

Медный узор [ править ]

Первый шаг - воспроизвести рисунок в системе CAM изготовителя на защитной маске на слоях печатной платы из медной фольги. Последующее травление удаляет нежелательную медь, незащищенную маской. (В качестве альтернативы, проводящие чернила могут быть нанесены струйной печатью на пустую (непроводящую) плату. Этот метод также используется при производстве гибридных схем .)

1. В шелкотрафаретной печати используются устойчивые к травлению краски для создания защитной маски.
2. Фотогравировка использует фотошаблон и проявитель для выборочного удаления УФ-чувствительного покрытия из фоторезиста и, таким образом, создания фоторезистивной маски, которая защитит медь под ним. Для получения высокого разрешения иногда используются методы прямой визуализации. Были проведены эксперименты с терморезистом. ^[21] Вместо фотошаблона можно использовать лазер. Это известно как литография без маски или прямое изображение.
3. При фрезеровании печатных плат используется двух- или трехосевая система механического фрезерования для удаления медной фольги с подложки. Фрезерный станок для печатных плат (именуемый «прототипом печатных плат») работает аналогично плоттеру , получая команды от главного программного обеспечения, которые управляют положением фрезерной головки по осям x, y и (при необходимости) z. .
4. Устойчивость к лазерной абляции Распылите черную краску на ламинат, плакированный медью, и поместите в лазерный плоттер с ЧПУ . Лазерный сканер сканирует печатную плату и удаляет (испаряет) краску там, где сопротивление не требуется. (Примечание: лазерная абляция меди используется редко и считается экспериментальной. ^{[ Требуется пояснение ]} )
5. Лазерное травление Медь может быть удалена непосредственно с помощью лазера с ЧПУ. Как и фрезерование печатных плат, описанное выше, это используется в основном для создания прототипов.

Выбор метода зависит от количества производимых плат и требуемого разрешения.

Большой объем [ править ]

• Шелкотрафаретная печать - используется для печатных плат с большими возможностями
• Фотогравировка - используется, когда требуются более мелкие детали

Малый объем [ править ]

• Распечатайте на прозрачной пленке и используйте как фотошаблон вместе с фоточувствительными досками, затем протравите. (Или используйте пленочный фотоплоттер)
• Лазерная абляция резиста
• Фрезерование печатных плат
• Лазерное травление

Любитель [ править ]

• Резист с лазерной печатью: лазерная печать на переносной бумаге с тонером, теплопередача с помощью утюга или модифицированного ламинатора на чистый ламинат, замачивание в водяной бане, подкрашивание маркером, затем протравливание.
• Виниловая пленка и резист, немоющийся маркер, некоторые другие методы. Трудоемкий, подходит только для одинарных досок.

Вычитающие, аддитивные и полуаддитивные процессы [ править ]

Вычитающие методы удаляют медь с полностью покрытой медью платы, чтобы оставить только желаемый медный узор. В аддитивных методах рисунок наносится гальваническим способом на голую основу с использованием сложного процесса. Преимущество аддитивного метода заключается в том, что требуется меньше материала и меньше отходов. В полном аддитивном процессе голый ламинат покрывается светочувствительной пленкой, которая отображается (экспонируется светом через маску, а затем проявляется, удаляя неэкспонированную пленку). Открытые участки сенсибилизируются в химической ванне, обычно содержащей палладий и аналогичной той, которая используется для покрытия сквозных отверстий, что делает открытую область способной связывать ионы металлов. Затем ламинат покрывают медью в чувствительных областях. Когда маска снята, печатная плата готова.

Полусаддитивный процесс является наиболее распространенным: на плате без рисунка уже есть тонкий слой меди. Затем применяется обратная маска. (В отличие от маски субтрактивного процесса, эта маска обнажает те части подложки, которые в конечном итоге станут следами.) Затем на плату наносится дополнительная медь в незамаскированных областях; медь может быть покрыта до любого желаемого веса. Затем наносят оловянное или другое покрытие. Маска удаляется, и на коротком этапе травления с платы удаляется оголенный оригинальный медный ламинат, изолирующий отдельные следы. Некоторые односторонние доски со сквозными отверстиями изготавливаются таким образом. В конце 1960-х годов General Electric производила потребительские радиоприемники с использованием дополнительных плат.

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

Химическое травление [ править ]

Химическое травление обычно проводят персульфатом аммония или хлоридом железа . Для PTH (сквозных отверстий) дополнительные этапы химического осаждения выполняются после того, как отверстия просверлены, затем на медь наносится гальваническое покрытие для увеличения толщины, платы экранируются и покрываются оловом / свинцом. Олово / свинец становится резистом, оставляя чистую медь для протравливания. ^[22]

Самый простой метод, используемый для мелкосерийного производства и часто используемый любителями, - это травление иммерсией, при котором плита погружается в травильный раствор, такой как хлорид железа. По сравнению с методами, используемыми для массового производства, время травления велико. Для увеличения скорости травления ванну можно нагреть и перемешать. При пузырьковом травлении через ванну для травления пропускают воздух, чтобы перемешать раствор и ускорить травление. При травлении брызгами используется лопасть с приводом от двигателя для нанесения на доски травителя; этот процесс стал коммерчески устаревшим, поскольку он не так быстр, как травление распылением. При травлении распылением раствор травителя распределяется по доскам соплами и рециркулирует насосами. Регулировка формы сопла, расхода, температуры и состава травителя обеспечивает предсказуемый контроль скорости травления и высокую производительность.^[23]

Чем больше меди потребляется из плат, травитель становится насыщенным и менее эффективным; разные травители имеют разную производительность по меди, некоторые из них 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 является коррозионным и токсичным из-за содержания металла. ^[24]

Травитель удаляет медь со всех поверхностей, не защищенных резистом. «Поднутрение» возникает, когда травитель воздействует на тонкий край меди под резистом; это может уменьшить ширину проводника и вызвать обрыв цепи. Для предотвращения подрезов требуется тщательный контроль времени травления. Если в качестве резиста используется металлическое покрытие, оно может «выступать», что может вызвать короткое замыкание между соседними дорожками, когда они расположены близко друг к другу. Выступ можно удалить, очистив плату металлической щеткой после травления. ^[23]

Ламинирование [ править ]

Многослойные печатные платы имеют следовые слои внутри платы. Это достигается ламинированием стопки материалов в прессе путем приложения давления и нагрева в течение определенного периода времени. В результате получается неразрывный цельный продукт. Например, четырехслойная печатная плата может быть изготовлена, начав с двухстороннего ламината, плакированного медью, протравив схему с обеих сторон, а затем ламинировав верхнюю и нижнюю части препрега и медной фольги. Затем его просверливают, покрывают и снова травят, чтобы получить следы на верхнем и нижнем слоях. ^[25]

Перед ламинированием внутренние слои подвергаются полной машинной проверке, поскольку впоследствии ошибки не могут быть исправлены. Машины для автоматического оптического контроля (AOI) сравнивают изображение платы с цифровым изображением, созданным на основе исходных проектных данных. Затем машины с автоматическим оптическим формированием (AOS) могут добавлять недостающую медь или удалять лишнюю медь с помощью лазера, уменьшая количество печатных плат, которые необходимо выбросить. ^[26] Дорожки на печатной плате могут иметь ширину всего 10 микрометров.

Бурение [ править ]

Отверстия в печатной плате обычно просверливаются сверлами из карбида вольфрама с твердым покрытием . Карбид вольфрама с покрытием используется, потому что картонные материалы абразивные. Биты из быстрорежущей стали быстро затупились, порвав медь и испортив плату. Сверление выполняется сверлильными станками с компьютерным управлением с использованием файла сверла или файла Excellon, который описывает расположение и размер каждого просверленного отверстия.

Отверстия можно сделать токопроводящими путем гальваники или вставки полых металлических проушин для соединения слоев платы. Некоторые токопроводящие отверстия предназначены для ввода выводов компонентов через отверстия. Другие, используемые для соединения слоев платы, называются переходными отверстиями .

Когда требуются переходные отверстия диаметром менее 76,2 микрометра ^{[27] [28]} , сверление механическими долотами невозможно из-за высокой скорости износа и поломки. В этом случае переходные отверстия могут быть просверлены лазером - испарены лазером . Просверленные лазером переходные отверстия обычно имеют плохую отделку поверхности внутри отверстия. Эти отверстия называются микропереходами и могут иметь диаметр от 10 микрометров. ^{[29] [30]} Также возможно с контролируемой глубинойсверление, лазерное сверление или предварительное просверливание отдельных листов печатной платы перед ламинированием для создания отверстий, которые соединяют только некоторые из медных слоев, а не проходят через всю плату. Эти отверстия называются глухими переходными отверстиями, когда они соединяют внутренний слой меди с внешним слоем, или скрытыми переходными отверстиями, 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 УФ- или СО2-лазеры. ^{[31] [32]}

Стенки отверстий для плат с двумя или более слоями можно сделать проводящими, а затем покрыть гальваническим покрытием медью для образования сквозных отверстий . Эти отверстия электрически соединяют проводящие слои печатной платы. Для многослойных плит, состоящих из трех или более слоев, при сверлении обычно образуются мазки продуктов высокотемпературного разложения связующего агента в ламинатной системе. Перед тем, как отверстия можно будет покрыть насквозь, этот мазок должен быть удален путем химического удаления мазка или плазменного травления.. Процесс удаления смазки гарантирует хорошее соединение с медными слоями, когда отверстие покрыто металлическим покрытием. На платах с высокой надежностью процесс, называемый обратным травлением, выполняется химически с травителем на основе перманганата калия или плазменным травлением. Обратное травление удаляет смолу и стеклянные волокна, так что слои меди проходят в отверстие и по мере нанесения покрытия становятся единым целым с нанесенной медью.

Покрытие и покрытие [ править ]

Правильный выбор покрытия или обработки поверхности может иметь решающее значение для выхода процесса, объема переделок, частоты отказов в полевых условиях и надежности. ^[33]

Печатные платы могут быть покрыты припоем, оловом или золотом поверх никеля. ^{[34] [35]}

После того, как печатные платы протравлены, а затем промыты водой, наносится паяльная маска, а затем вся обнаженная медь покрывается припоем, никелем / золотом или другим антикоррозийным покрытием. ^[36]

Матовый припой обычно плавится, чтобы обеспечить лучшую склеивающую поверхность для неизолированной меди. Такие средства, как бензимидазолтиол , предотвращают окисление поверхности чистой меди. Места, в которые будут устанавливаться компоненты, обычно покрыты гальваническим покрытием, поскольку необработанная медь без покрытия быстро окисляется и, следовательно, не поддается пайке. Традиционно любая обнаженная медь покрывалась припоем путем выравнивания припоя горячим воздухом (HASL). Покрытие HASL предотвращает окисление находящейся под ним меди, обеспечивая тем самым паяемую поверхность. Этот припой был оловом - свинец сплава, однако новые паяные соединения в настоящее время используется для достижения соответствия в RoHS директивы 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 ppm. ^{[ необходима цитата ]}

Важно использовать припой, совместимый как с печатной платой, так и с используемыми деталями. Примером может служить матрица с шариковой решеткой (BGA), в которой используются шарики из оловянно-свинцового припоя для соединений, теряющих шарики на неизолированных медных дорожках, или с использованием бессвинцовой паяльной пасты.

Другие плакировки используемых OSP (органические поверхности защитны), погружение серебро ( МАГ ), погружение олово (ISN), никелевый с погружением золота покрытия ( ENIG ), никелевый электролизного палладием погружением золото (ENEPIG) и прямое золотое покрытие (над никелем) . Краевые разъемы , расположенные вдоль одного края некоторых плат, часто никелируют, а затем покрывают золотом с помощью ENIG. Еще одно соображение по поводу покрытия - быстрая диффузия металла покрытия в припой олова. Олово образует интерметаллиды, такие как Cu ₆ Sn ₅ и Ag ₃ Cu, которые растворяются в ликвидусе или солидусе олова (при 50 ° C), снимая покрытие с поверхности или оставляя пустоты.

Электрохимическая миграция (ECM) - это рост проводящих металлических нитей на печатной плате (PCB) или внутри нее под действием смещения постоянного напряжения. ^{[37] [38]} Серебро, цинк и алюминий, как известно, вырастают вискеры 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 покрытой поверхности. У оловянно-свинцового покрытия или припоя также появляются усы, которые уменьшаются только за счет уменьшения процентного содержания олова. Оплавление для расплавления припоя или белой жести для снятия поверхностных напряжений снижает вероятность образования усов. Другой проблемой покрытия является вредитель олова , превращение олова в порошкообразный аллотроп при низкой температуре.^[39]

Применение паяльного резиста [ править ]

Области, которые не следует паять, могут быть покрыты паяльным резистом (паяльной маской). Паяльная маска - это то, что придает печатным платам характерный зеленый цвет, хотя она также доступна в нескольких других цветах, таких как красный, синий, фиолетовый, желтый, черный и белый. Один из наиболее распространенных паяльных резистов, используемых сегодня, называется «LPI» ( жидкая паяльная маска с фотоизображением ). ^[40]  Светочувствительное покрытие наносится на поверхность печатной платы, затем подвергается воздействию света через пленку с изображением паяльной маски и, наконец, проявляется там, где неэкспонированные области смываются. Паяльная маска из сухой пленки похожа на сухую пленку, используемую для изображения печатной платы для нанесения покрытия или травления. После ламинирования на поверхность PWB она отображается и проявляется как LPI. Когда-то, но уже не широко применяемый из-за низкой точности и разрешения, это трафаретная печать эпоксидными чернилами. В дополнение к отталкиванию припоя, припойный резист также обеспечивает защиту меди от окружающей среды, которая в противном случае подверглась бы воздействию.

Печать легенды [ править ]

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

Распечатать легенду можно тремя способами.

1. Эпоксидные краски для шелкографии были признанным методом. Это было настолько распространено, что легенды часто ошибочно называют шелком или шелкографией.
2. Жидкое фотоизображение - более точный метод, чем трафаретная печать.
3. Все чаще используется струйная печать. Струйный принтер может печатать переменные данные, уникальные для каждого блока PWB, такие как текст или штрих-код с серийным номером .

Тест на голую доску [ править ]

Платы без установленных компонентов обычно тестируются на «короткое замыкание» и «обрыв». Это называется электрическим тестом или электронным тестом печатной платы . Короткое замыкание - это соединение между двумя точками, которые нельзя соединять. Обрыв - это недостающее соединение между точками, которые необходимо соединить. При крупносерийном производстве приспособление или жесткий игольчатый адаптер контактирует с медными площадками на плате. Приспособление или адаптер требует значительных фиксированных затрат, и этот метод экономичен только для крупносерийного или дорогостоящего производства. Для малых и средних серий летающих зондовТестеры используются там, где измерительные щупы перемещаются по плате с помощью XY-привода для контакта с медными контактами. Нет необходимости в приспособлении, и, следовательно, постоянные затраты намного ниже. CAM-система дает команду 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 [ править ]

При сборке голая плата заполняется (или «набивается») электронными компонентами, чтобы сформировать функциональную сборку печатных схем (PCA), иногда называемую «сборкой печатной платы» (PCBA). ^{[41] [42]} В технологии сквозных отверстий выводы компонентов вставляются в отверстия, окруженные токопроводящими прокладками ; отверстия удерживают компоненты на месте. В технологии поверхностного монтажа (SMT), компонент размещается на печатной плате таким образом , чтобы штифты выстраиваются с проводящими подушечками или землина поверхности печатной платы; паяльная паста, которая ранее была нанесена на контактные площадки, временно удерживает компоненты на месте; если компоненты для поверхностного монтажа применяются к обеим сторонам платы, компоненты нижней стороны приклеиваются к плате. Затем компоненты припаиваются как в сквозное отверстие, так и на поверхность ; после охлаждения и затвердевания припой надежно удерживает компоненты на месте и электрически соединяет их с платой.

Для крепления компонентов к печатной плате используются различные методы пайки . Крупносерийное производство обычно осуществляется с помощью установки для пайки и пайки и печей для пайки волной пайки или оплавления , но квалифицированные техники могут вручную паять очень крошечные детали (например, корпуса 0201 размером 0,02 на 0,01 дюйма) ^{[ 43]} под микроскопом с помощью пинцета и паяльника с тонким наконечником для прототипов малых объемов. Для деликатных деталей можно использовать селективную пайку . Некоторые детали SMT нельзя паять вручную, например, BGAпакеты. Все компоненты со сквозными отверстиями можно припаять вручную, что делает их предпочтительными для прототипирования, когда размер, вес и использование тех компонентов, которые будут использоваться в крупносерийном производстве, не являются проблемой.

Часто конструкция для монтажа в сквозное отверстие и для поверхностного монтажа должна быть объединена в одной сборке, поскольку некоторые необходимые компоненты доступны только в корпусах для поверхностного монтажа, а другие доступны только в корпусах для сквозного монтажа. Или, даже если все компоненты доступны в корпусах со сквозным отверстием, может быть желательно воспользоваться преимуществами уменьшения размера, веса и стоимости, достигаемого 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 для компонентов, которые могут выдержать физическую нагрузку (например, разъемы, которые часто сопрягаются и отключаются, или которые подключаются к кабелям, которые, как ожидается, будут оказывать существенное напряжение на плату и разъем интерфейс), в то время как компоненты, которые, как ожидается, останутся нетронутыми, займут меньше места при использовании методов поверхностного монтажа.Для дальнейшего сравнения см. Страницу SMT .

После того, как плата будет заполнена, ее можно протестировать различными способами:

• При выключенном питании визуальный осмотр , автоматический оптический осмотр . Рекомендации JEDEC по размещению, пайке и проверке компонентов печатных плат обычно используются для поддержания контроля качества на этом этапе производства печатных плат.
• При выключенном питании анализ аналоговой сигнатуры , тестирование при выключенном питании .
• При включенном питании проводите внутрисхемный тест , в ходе которого можно проводить физические измерения (например, напряжение).
• Пока питание включено, функциональный тест , просто проверка того, выполняет ли печатная плата то, для чего она была предназначена.

Для облегчения этих испытаний на печатных платах могут быть предусмотрены дополнительные контактные площадки для временных соединений. Иногда эти площадки необходимо изолировать резисторами. Внутрисхемный тест может также проверять функции граничного сканирования некоторых компонентов. Системы внутрисхемного тестирования также могут использоваться для программирования компонентов энергонезависимой памяти на плате.

При тестировании с граничным сканированием тестовые схемы, интегрированные в различные ИС на плате, образуют временные соединения между дорожками печатной платы для проверки правильности установки ИС. Тестирование с граничным сканированием требует, чтобы все тестируемые ИС использовали стандартную процедуру конфигурации теста, наиболее распространенной из которых является стандарт Joint Test Action Group ( JTAG ). JTAG - тест архитектура обеспечивает средство для тестирования межсоединений между интегральными схемами на плату без использования физических испытаний зондов, с помощью схемы в ИСАХ использовать контакты IC себя в качестве испытательных зондов. Поставщики инструментов JTAG предоставляют различные типы стимулов и сложные алгоритмы не только для обнаружения неисправных цепей, но и для изоляции неисправностей в определенных цепях, устройствах и выводах.

Когда платы не проходят тест, техники могут демонтировать и заменить вышедшие из строя компоненты - задача, известная как переделка .

Защита и упаковка [ править ]

Печатные платы, предназначенные для экстремальных условий окружающей среды, часто имеют защитное покрытие , которое наносится путем окунания или распыления 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 разбавленные растворы силиконового каучука, полиуретана, акрила или эпоксидной смолы. Другой метод для нанесения конформного покрытия для пластикового быть распыленным на печатную плату в вакуумной камере. Главный недостаток защитных покрытий состоит в том, что обслуживание платы чрезвычайно затруднено. ^[44]

Многие собранные печатные платы чувствительны к статическому электричеству, поэтому во время транспортировки их следует помещать в антистатические пакеты . При обращении с этими платами пользователь должен быть заземлен.. Неправильная техника обращения может привести к передаче накопленного статического заряда через плату, повреждая или разрушая компоненты. Повреждение может не сразу повлиять на работу, но может привести к раннему отказу в дальнейшем, вызвать периодические сбои в работе или вызвать сужение диапазона условий окружающей среды и электрических условий, при которых плата функционирует должным образом. Даже голые платы иногда бывают чувствительны к статическому электричеству: следы стали настолько мелкими, что можно сдуть след (или изменить его характеристики) статическим разрядом. Это особенно верно в отношении нетрадиционных печатных плат, таких как MCM и микроволновые печатные платы.

Строительство кордвуд [ править ]

Конструкция из кордового дерева может значительно сэкономить место и часто использовалась с компонентами с проводным концом в приложениях, где пространство было в дефиците (например, взрыватели , системы наведения ракет и телеметрические системы), а также в высокоскоростных компьютерах , где короткие следы были важны. В конструкции из бруса компоненты с осевыми выводами устанавливались между двумя параллельными плоскостями. Компоненты были либо спаяны вместе перемычкой, либо они были подключены к другим компонентам тонкой никелевой лентой, приваренной под прямым углом к ​​выводам компонентов. ^[45]Чтобы избежать короткого замыкания между собой различных слоев межсоединений, между ними были помещены тонкие изолирующие платы. Перфорация или отверстия в платах позволяет компоненту выступать на следующий слой межсоединений. Одним из недостатков этой системы было то, что специальный никель-свинцованные компоненты должны были использоваться, чтобы обеспечить надежные соединительные сварные швы. Дифференциальное тепловое расширение компонента может оказать давление на выводы компонентов и дорожки на печатной плате и вызвать механическое повреждение (как это было замечено в нескольких модулях программы Apollo). Кроме того, компоненты, расположенные внутри, сложно заменить. В некоторых версиях конструкции из дровяной древесины в качестве метода соединения использовались односторонние печатные платы (как показано на рисунке), что позволяло использовать компоненты с нормальными выводами за счет того, что было трудно удалить платы или заменить любой компонент, который не находится на краю.

До появления интегральных схем этот метод позволял получить максимально возможную плотность упаковки компонентов; из-за этого он использовался рядом поставщиков компьютеров, включая Control Data Corporation . После того, как ПХБ получили широкое распространение, метод изготовления из дровяной древесины использовался редко, в основном в аэрокосмической промышленности или другой электронике с очень высокой плотностью размещения.

Многопроволочные платы [ править ]

Многопроволочный - это запатентованный метод соединения, в котором используются изолированные провода машинной разводки, залитые в непроводящую матрицу (часто пластмассовую смолу). Он использовался в 1980-х и 1990-х годах. (Kollmorgen Technologies Corp, патент США 4,175,816, поданный в 1978 г.) По состоянию на 2010 г. технология Multiwire все еще была доступна через Hitachi.

Поскольку было довольно легко укладывать соединения (провода) внутри матрицы встраивания, этот подход позволил разработчикам полностью забыть о маршрутизации проводов (обычно это трудоемкая операция проектирования печатной платы): везде, где проектировщику требуется соединение, машина будет проведите провод по прямой линии от одного места / штифта к другому. Это привело к очень короткому времени разработки (отсутствие сложных алгоритмов для использования даже для проектов с высокой плотностью), а также к уменьшению перекрестных помех (что хуже, когда провода проходят параллельно друг другу - что почти никогда не происходит в Multiwire), хотя стоимость слишком высока. чтобы конкурировать с более дешевыми технологиями печатных плат, когда требуются большие количества.

Исправить разводку платы Multiwire легче, чем компоновку печатной платы. ^[46]

Были разработаны и другие конкурентоспособные технологии дискретной проводки.

История [ править ]

До появления печатных плат электрические и электронные схемы монтировались на шасси точка-точка . Обычно шасси представляло собой металлический каркас или поддон, иногда с деревянным днищем. Компоненты были прикреплены к шасси, обычно с помощью изоляторов, когда точка соединения на шасси была металлической, а затем их выводы были подключены напрямую или с помощью перемычек путем пайки , или иногда с использованием обжимных соединителей, наконечников соединителей проводов на винтовых клеммах или других методов. . Схемы были большими, громоздкими, тяжелыми и относительно хрупкими (даже без учета бьющихся стеклянных колпаков электронных ламп, которые часто включались в схемы), а производство было трудоемким, поэтому изделия были дорогими.

Разработка методов, используемых в современных печатных платах, началась в начале 20 века. В 1903 году немецкий изобретатель Альберт Хансон описал плоские проводники из фольги, наклеенные на изолирующую пластину в несколько слоев. Томас Эдисон экспериментировал с химическими методами нанесения проводов на льняную бумагу в 1904 году. Артур Берри в 1913 году запатентовал метод печати и травления в Великобритании, а в Соединенных Штатах Макс Шуп получил патент ^[47] на напыление металла на поверхность пламенем. доска через узорную маску. Чарльз Дука в 1927 году запатентовал метод гальваники схемных рисунков. ^[48]

Австрийский инженер Пауль Эйслер изобрел печатную схему как часть радиоприемника, работая в Великобритании примерно в 1936 году. В 1941 году многослойная печатная схема была использована в немецких морских минах с магнитным влиянием . Примерно в 1943 году США начали широко использовать эту технологию для изготовления бесконтактных взрывателей для использования во время Второй мировой войны. ^[48]

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, когда в армии США был разработан процесс автоматической сборки . Примерно в то же время в Великобритании аналогичную работу вел Джеффри Даммер , работавший тогда в RRDE .

Даже когда печатные платы стали доступны, метод построения корпуса «точка-точка» оставался широко используемым в промышленности (например, в телевизорах и аппаратах Hi-Fi) по крайней мере до конца 1960-х годов. Печатные платы были введены, чтобы уменьшить размер, вес и стоимость частей схемы. В 1960 году небольшой потребительский радиоприемник мог быть построен со всеми его схемами на одной печатной плате, но телевизор, вероятно, содержал бы одну или несколько печатных плат.

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

Во время Второй мировой войны для разработки зенитного неконтактного взрывателя потребовалась электронная схема, которая могла бы выдерживать выстрелы из пушки и производилась в большом количестве. Подразделение Centralab компании Globe Union представило предложение, которое отвечает требованиям: на керамическую пластину будет нанесен трафарет с металлической краской для проводников и углеродным материалом для резисторов , с припаянными керамическими дисковыми конденсаторами и сверхминиатюрными электронными лампами. ^[49] Метод оказался жизнеспособным, и получившийся патент на процесс, который был засекречен армией США, был передан Globe Union. Лишь в 1984 году Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) наградил Гарри В. 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 альма-матер, Университетом Висконсин-Мэдисон , за инновации в технологии печатных электронных схем и производстве конденсаторов. ^{[50] [51]} Это изобретение также представляет собой шаг в развитии технологии интегральных схем , поскольку на керамической подложке изготавливались не только проводка, но и пассивные компоненты.

Первоначально каждый электронный компонент имел проволочные выводы , и PCB имели отверстия , просверленные для каждого провода каждого компонента. Выводы компонентов затем вставлялись в отверстия и припаивались к медным дорожкам печатной платы. Этот метод сборки называется сквозным отверстием строительства . В 1949 году Мо Абрамсон и Станислав Ф. Данко из корпуса связи армии США разработали процесс автосборки, в котором выводы компонентов вставлялись в схему соединения из медной фольги и паялись погружением . Патент, полученный ими в 1956 году, был передан армии США. ^[52] С развитием ламинации и травления картонаЭта концепция превратилась в стандартный процесс изготовления печатных плат, который используется сегодня. Пайку можно производить автоматически, пропуская плату по волнам или волнам расплавленного припоя в машине для пайки волной припоя . Однако проволока и отверстия неэффективны, поскольку сверление отверстий обходится дорого и требует сверления, а выступающие проволоки обрезаются и выбрасываются.

Начиная с 1980-х годов, мелкие детали для поверхностного монтажа все чаще используются вместо компонентов со сквозным отверстием; это привело к уменьшению размеров плат для заданной функциональности и снижению производственных затрат, но с некоторыми дополнительными трудностями при обслуживании неисправных плат.

В 1990-е годы участились многослойные поверхностные плиты. В результате размер был дополнительно уменьшен, и гибкие и жесткие печатные платы были включены в различные устройства. В 1995 году производители печатных плат начали использовать технологию микропереходов для производства печатных плат с межсоединениями высокой плотности (HDI). ^[53]

Технология HDI позволяет создавать более плотную конструкцию печатной платы и значительно уменьшать размеры компонентов. В результате компоненты могут быть ближе, а пути между ними короче. В HDI используются глухие / скрытые переходные отверстия или их комбинация, включающая микропереходы. С многослойными печатными платами HDI соединение многослойных переходных отверстий еще сильнее, 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 микропереходная печатная плата HDI По качеству эквивалентна 8-слойной печатной плате со сквозными отверстиями. Однако стоимость намного ниже.

Последние достижения в области 3D-печати означают, что есть несколько новых методов создания печатных плат. Трехмерная печатная электроника (ПЭ) 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 неисправностей 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 в материальном плане, 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 . ^[54]

См. Также [ править ]

• Макетная плата
• CID +
• Дизайн для технологичности (ПП)
• Электронная упаковка
• Электронных отходов
• Микрофоника
• Мультичиповый модуль
• Процесс Оккама - еще один процесс производства печатных плат
• Конструкция точка-точка
• Печатная электроника - создание компонентов методом печати
• Фрезерование печатных плат
• Печатная электронная схема - аналогичное название, другая часть
• Штампованная печатная плата
• Стрипборд
• Veroboard
• Обмотка проволоки

Материалы для печатных плат

• Проводящие чернила
• Ламинатные материалы:
  • BT-эпоксидная смола
  • Композиционный эпоксидный материал ЦЭМ-1,5
  • Цианатный эфир
  • FR-2
  • FR-4 , наиболее распространенный материал для печатных плат
  • Полиимид
  • ПТФЭ , политетрафторэтилен (тефлон)

Программное обеспечение для разводки печатных плат

• Список компаний EDA
• Сравнение программного обеспечения EDA

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

В Wikibook Practical Electronics есть страница по теме: Схема печатной платы

В Wikibook Practical Electronics есть страница на тему: размеры отверстий для деталей со сквозными отверстиями

Викискладе есть медиафайлы, связанные с печатными платами .

• Данные по изготовлению печатной платы - руководство
• Спецификация формата Гербера