A печатная плата (PCB ) механически и электрически поддерживает соединяет электрические или электронные компоненты с помощью токопроводящих дорожек, контактных площадок и других элементов вытравленных из одного или нескольких слоев меди ламинированной на и / или между листовыми слоями непроводящей подложки. Компоненты обычно припаяны 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 обмотку проводов и двухточечную конструкцию, которые когда-то были популярны, но сейчас используются редко. Печатные платы требуют дополнительных усилий при проектировании схемы, но производство и сборку можно автоматизировать. Программное обеспечение для электронного автоматизированного проектирования доступно для выполнения большей части 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 изготовить большое количество печатных плат, а компоновку нужно выполнить 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 субстрат). Многослойные печатные платы позволяют использовать гораздо более высокую плотность компонентов, потому что 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 затрудняют ремонт, анализ и модификацию цепей в полевых условиях и обычно нецелесообразны.
Мировой рынок печатных плат без покрытия превысил 60,2 миллиарда долларов в 2014 году и, по оценкам, достигнет 79 миллиардов долларов к 2024 году.
Базовая печатная плата состоит из плоского листа изоляционного материала и слоя меди фольги, приклеенной к субстрат. 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 для 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 замыкания припоя короткого замыкания между дорожками или нежелательного электрического контакта с паразитными неизолированными 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 с помощью переходных отверстий, которые представляют собой медные отверстия, которые функционируют как электрические туннели через изолирующую подложку. Выводы компонентов через отверстия иногда также эффективно работают как переходные отверстия. После двухслойных печатных плат следующим шагом обычно является четырехслойная. Часто два слоя используются для питания и заземляющих поверхностей, а два других используются для сигнальной проводки между компонентами.
Компоненты со сквозным отверстием монтируются с помощью 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 используется 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 должен быть вытравлен на каждом медном слое печатной платы, называется «иллюстрацией». Травление обычно выполняется с использованием фоторезиста , который наносится на печатную плату, а затем подвергается воздействию света, проецируемого на узор 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 можно массово дублировать с пленочных негативов с помощью фотопринтера.
в многослойном режиме. платы, слои материала ламинируются вместе в чередующемся сэндвиче: медь, подложка, медь, подложка, медь и т.д.; каждая медная плоскость протравливается, и 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.
FR-4 эпоксидное стекло является наиболее распространенной изоляционной подложкой. Другой материал основы - это хлопковая бумага, пропитанная фенольной смолой, часто желто-коричневой или коричневой.
Когда на печатной плате не установлены компоненты, ее менее неоднозначно называют печатной монтажной платой (PWB) или травленой 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 неформальном употреблении термин «печатная плата» чаще всего означает «сборка печатной схемы» (с компонентами). Предпочтительный термин IPC для собранных плат - это сборка печатной платы (CCA), а для собранных объединительных плат - сборки объединительной платы. «Карта» - еще один широко используемый неформальный термин для обозначения «печатной платы». Например, карта расширения.
Печатная плата может быть напечатана методом шелкографии с надписью, идентифицирующей компоненты, контрольные точки или идентифицирующим текстом. Первоначально для этой цели использовался реальный процесс шелкографии, но сегодня вместо него обычно используются другие методы печати более высокого качества. Обычно трафаретная печать не имеет значения для функции PCBA.
Минимальная печатная плата для отдельного 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.
Современные печатные платы могут содержать компоненты, встроенные в подложку, такие как конденсаторы и интегральные схемы, чтобы уменьшить объем места, занимаемого компонентами на поверхности печатной платы, при одновременном улучшении электрических характеристик.
Первые печатные платы использовали технологию сквозных отверстий, в которых электронные компоненты устанавливались с помощью выводов, вставленных через отверстия с одной стороны платы и припаян на медные дорожки с другой стороны. 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 могут быть припаяны вручную или с помощью аппарата пайки волной.
Производство сквозных отверстий увеличивает стоимость платы, требуя точного просверливания множества отверстий, и это ограничивает доступную область маршрутизации для сигнальных дорожек на слоях непосредственно под верхним слоем на многослойных платах, поскольку отверстия должны проходить через все слои на противоположную сторону. 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).
Устройства для сквозных отверстий, установленные на печатной плате Commodore 64 середины 1980-х годов домашний компьютер
Коробка сверл используется для проделывания отверстий в печатных платах. Хотя биты из карбида вольфрама очень твердые, они со временем изнашиваются или ломаются. Сверление составляет значительную часть стоимости печатной платы для сквозных отверстий.
Технология поверхностного монтажа появилась в 1960-х годах, набрала обороты в начале 1980-х и стала широко использоваться к середине 1990-х гг. 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 сквозные отверстия, а пассивные компоненты намного дешевле. Однако цены на полупроводниковые устройства для поверхностного монтажа (SMD) в большей степени определяются самим чипом, чем корпусом, с небольшим ценовым преимуществом по сравнению с более крупными корпусами, и некоторыми компонентами с проводными выводами, такими как 1N4148 малосигнальных переключающих диодов, на самом деле значительно дешевле, чем эквиваленты SMD.
Печатная плата в компьютерной мыши : компонентная сторона (слева) и печатная сторона (справа)Каждая дорожка состоит из плоской, узкая часть фольги меди, остающаяся 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 земля для экранирования и возврата питания. Для цепей микроволн, линии передачи могут быть расположены в плоской форме, такой как полосковая линия или микрополосковая с тщательно контролируемые размеры 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 в качестве преднамеренной части схемы, как в фильтрах с распределенными элементами, антеннах и предохранителях, устраняя необходимость в дополнительных дискретные компоненты. Платы межсоединений высокой плотности (HDI) имеют дорожки и / или переходные отверстия с шириной или диаметром менее 152 микрометров.
Европейский Союз запрещает использование свинца (среди других тяжелых металлов) в потребительских товарах, законодательный орган назвал RoHS, Директива 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.
Слоистые материалы производятся путем отверждения под давлением и температурой слоев ткани или бумаги с термореактивной смолой до образуют цельную конечную деталь одинаковой 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.
Используемый материал ткани или волокна, материал смолы и соотношение ткани и смолы определяют обозначение типа ламината (FR-4, CEM-1, Г-10 и др.) И, следовательно, характеристики производимого ламината. Важными характеристиками являются уровень огнестойкости, диэлектрическая постоянная (er), коэффициент потерь (tδ), предел прочности на разрыв <50, прочность на сдвиг, температура стеклования (Tg) и коэффициент расширения по оси Z (насколько толщина изменяется с температурой).
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), 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 (хлопковая 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 при использовании решетки шариков (BGA) и технологий «голой матрицы», а стекловолокно обеспечивает наилучшую стабильность размеров.
FR-4 - безусловно, самый распространенный материал, используемый сегодня. Плата 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..
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 переплетения. 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, термический расширение ), электрические (диэлектрическая постоянная, тангенс угла потерь, напряжение пробоя диэлектрика, ток утечки,...), и другие (например).
При температуре стеклования смола в композите размягчается и значительно увеличивает тепловое расширение; превышение T g приводит к механической перегрузке компонентов платы - например, стыки и переходные отверстия. Ниже T g тепловое расширение смолы примерно соответствует меди и стеклу, выше оно становится 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 с более толстыми платами; Поэтому для толстых плат требуется матрица с высоким T 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 искрение 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 тангенту 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 - тот же эффект, который вызывает повреждение влажной упаковки электронных деталей. Для сушки перед пайкой может потребоваться тщательный обжиг подложек.
Часто встречающиеся материалы:
Реже встречающиеся материалы:
Толщина меди печатных плат может быть указана напрямую или как вес меди на единицу площади (в унциях на квадратный фут), что легче мера. Одна унция на квадратный фут составляет 1,344 мил или толщину 34 микрометра. Тяжелая медь - это слой, превышающий три унции меди на фут, или приблизительно 0,0042 дюйма (4,2 мил, 105 мкм). Плотные слои меди используются для высокого тока или для отвода тепла.
На обычных подложках FR-4 1 унция меди на фут (35 мкм) является наиболее распространенной толщиной; Часто можно использовать 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.
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, тепловое отклонение и прямая поддержка токоведущих электрических частей.
Первоначально печатные платы были разработаны вручную путем создания фотомаски на прозрачном листе майлара, обычно два или четыре раза истинный размер. Исходя из принципиальной схемы, контактные площадки компонентов были выложены на майлар, а затем были проложены трассы для соединения контактных площадок. Нанесение на поверхность сухого переноса посадочных мест общих компонентов повысило эффективность. Следы оставлены самоклеящейся лентой. Предварительно напечатанные невоспроизводящиеся сетки на майларе помогли в макете. Готовая фотошаблона фотолитографически воспроизведена на фоторезистивном покрытии на пустых платах, плакированных медью.
Современные печатные платы проектируются с использованием специального программного обеспечения для компоновки, как правило, в следующих этапах:
Производство печатных плат состоит из многих этапов.
Производство начинается с данных изготовления, созданных с помощью автоматизированного проектирования, и информации о компонентах. Данные изготовления считываются в программное обеспечение CAM (Computer Aided Manufacturing). CAM выполняет следующие функции:
Несколько небольших печатных плат могут быть сгруппированы вместе для обработки как панель. Панель, состоящая из дизайна, дублированного n раз, также называется n-панелью, тогда как мультипанель объединяет несколько разных дизайнов на одной панели. Внешняя инструментальная полоса часто включает в себя набор контрольных точек панели, тестовый купон и может включать заштрихованную заливку меди или аналогичные узоры для равномерного распределения меди по поверхности. вся панель 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, потому что 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 перфорациям или канавкам в панели 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. Лазерное удаление панелей снижает нагрузку на хрупкие цепи, повышая выход бездефектных устройств.
Первый шаг - воспроизвести узор в CAM-системе 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.)
Выбор метода зависит от количества выпускаемых плат и требуемого разрешения.
Вычитающие методы удаляют медь из полностью покрытой медью плату оставить только желаемый медный узор. В аддитивных методах рисунок наносят гальваническим методом 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 (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 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 - наиболее распространенный процесс: 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 нанесена на любой желаемый вес. 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. General Electric производила потребительские радиоприемники в конце 1960-х с использованием аддитивных плат.
(полу) аддитивный процесс обычно используется для многослойных плат, поскольку он способствует металлизации сквозных отверстий для создания проводящих переходных отверстий в схеме. доска.
Линия нанесения медного гальванического покрытия на печатные платы в процессе нанесения рисунка на медь На печатные платы в процессе нанесения медного рисунка (обратите внимание на синюю резисторную пленку)Химическое травление обычно выполняется с помощью персульфат аммония или хлорид железа. Для ПТГ (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 превращаются в резист, оставляя неизолированную медь для протравливания.
Самый простой метод, используемый для мелкосерийного производства и часто любителями, - это иммерсионное травление, при котором плату погружают в травильный раствор. например, 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, скорости потока, температуры и состава травителя обеспечивает предсказуемый контроль скорости травления и высокую производительность.
Чем больше меди расходуется 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 могут быть регенерированы для восстановления их активности, а растворенная медь восстановил и продал. Мелкомасштабное травление требует внимания к утилизации использованного травителя, который является токсичным из-за содержания металла.
Травитель удаляет медь со всех поверхностей, не защищенных резистом. «Поднутрение», когда травитель воздействует на тонкий край меди под резистом возникает; 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, обработав плату проволочной щеткой после травления.
Многослойные печатные платы имеют следовые слои внутри платы. Это достигается ламинированием стопки материалов в прессе путем приложения давления в течение определенного периода времени. В результате получается неразрывный цельный продукт. Например, четырехслойную печатную плату можно изготовить, начав с двухстороннего ламината, плакированного медью, протравив схему с обеих сторон, а ламинировав верхнюю и нижнюю части препрега и медной фольги. Затем его просверливают, наносят покрытие и снова травят, чтобы получить следы на и нижнем слоях.
Перед ламинированием внутренних слоев проходят полную машинную проверку, поскольку ошибки могут быть исправлены. Машины для автоматического оптического контроля (AOI) сравнивают изображение платы с цифровым изображением, созданным на основе исходных проектных данных. Затем с помощью автоматического оптического формирователя (AOS) добавьте недостающую медь или удалите излишки меди с помощью лазера, уменьшая количество печатных плат, которые необходимо выбросить. Дорожки печатной платы могут иметь ширину всего 10 микрометров.
Отверстия в печатной плате обычно просверливаются с помощью сверл , изготовленных 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 с помощью сверлильных станков с компьютерным управлением с помощью сверла файла Excellon, который имеет расположение и размер каждого просверленного отверстия.
Отверстия, осуществляемые 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, называются переходными отверстиями.
. Когда требуются переходные отверстия диаметром менее 76,2 микрометра, сверление механическими сверлами невозможно из-за высокой скорости износа и поломки. В этом случае переходные отверстия могут быть просверлены лазером - испарены лазерами. Отверстия, просверленные лазером, обычно имеют плохую отделку поверхности внутри отверстий. Эти отверстия называются микропереходами и имеют диаметр от 10 микрометров. Также возможно сверление с контролируемой глубиной, лазерное сверление или предварительное просверливание отдельных листов печатной платы перед ламинированием, чтобы получить отверстия, которые соединяют только некоторые из медных слоев, а не проходят через всю плату. Эти отверстия соединяют два или более внутренних медных слоя отверстиями, когда они соединяют слой меди с внешним слоем, когда они соединяют два или более внутренних медных слоя и соединяют внешние слои. Лазерные сверлильные станки могут просверливать тысячи отверстий в секунду и могут использовать УФ-лазеры или CO2-лазеры.
Стенки отверстий для двух 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 в ламинатной системе. Перед тем, как отверстия могут быть покрыты насквозь, этот мазок должен быть удален химическим способом или плазменным травлением. Процесс удаления обеспечивает хорошее соединение с медными смазками, когда отверстие покрыто металлическим покрытием. На платах с высокой надежностью процесс, называемый обратным травлением, выполняется химически с травлением на основе перманганата калия или плазменным травлением. Нанесение покрытий на медью проходит через отверстие и проходит через отверстия.
Правильный выбор гальванического покрытия или обработки поверхности может иметь решающее значение для выхода процесса, объема переделок, частоты отказов в полевых условиях и надежности.
На печатные платы могут наноситься гальванические покрытия. с припоем, оловом или золотом поверх никеля.
После того, как печатные платы протравлены, а затем промыты водой, наносится паяльная маска, а затем вся обнаженная медь покрывается припоем, никелем / золотом или каким-либо другим -коррозионным покрытием.
Матовый припой обычно расплавляется, чтобы обеспечить лучшую поверхность соединения для неизолированной меди. Такие средства обработки, как предотвращают предотвращение воздействия на поверхность чистой меди. Места, которые будут устанавливаться компоненты, обычно покрыты гальваническим покрытием, поскольку не обрабатывается медь без покрытия быстро окисляется и, следовательно, не поддается пайке. Традиционно вся обнаженная медь покрывалась припоем выравнивающим припоем горячим воздухом (HASL). Покрытие HASL предотвращает окисление находящейся под ним меди, тем самым гарантируя паяемую поверхность. Этот припой представляет собой сплав олово - свинец, однако теперь используются новые припои для обеспечения соответствия директиве RoHS в EU., 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.
Важно использовать припой, совместимый с обоими печатными платами. и используемые детали. Примером может служить массив шариковой сетки (BGA), в котором используются шарики припоя с оловянно-свинцовым припоем для соединений, теряющих шарики на неизолированных медных дорожках, или с использованием бессвинцовой паяльной пасты.
Другие используемые покрытия: OSP (органическое средство для защиты поверхности), иммерсионное серебро (IAg ), иммерсионное олово (ISn), химический никель с иммерсионным золотым покрытием (ENIG ), никель химическим способом иммерсионное золото палладия (ENEPIG) и прямое покрытие золотом (поверх никеля). Торцевые соединители, расположенные вдоль одного края некоторых плат, часто покрывают никелем, а затем золотом с использованием ENIG. Еще одно соображение по поводу покрытия - быстрая диффузия металла в оловянный припой. Олово образует интерметаллиды, такие как Cu 6Sn5и 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 в них под воздействием ущерба постоянного напряжения. Известно, что серебро, цинк и алюминий отращивают усы под электрическим поля. Серебро также образует проводящие поверхностные пути в подходящих галогенидов и других, что делает его плохим выбором для использования в электронике. У олова будут расти «усы» из-за натяжения покрытой поверхности. У оловянно-свинцового покрытия только появляется, которые уменьшаются за счет уменьшения процентного содержания олова. Оплавление для плавления припоя или белой жести для снятия поверхностных напряжений снижает вероятность усов. Другой проблемой является покрытие оловянный вредитель, превращение олова в порошкообразный аллотроп при низкой температуре.
Области, которые не следует паять, могут быть покрыты припой резистор (паяльная маска). Паяльная маска - это то, что придает печатным платам характерный зеленый цвет, хотя также она 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 ). Светочувствительное покрытие наносится на поверхность печатной платы, затем подвергается воздействию света через пленку с изображением паяльной маски и, наконец, проявляется там, где неэкспонированные участки смываются. Паяльная маска из сухой пленки похожа на сухую пленку, используемую для изображения печатной платы для нанесения покрытия или травления. После ламинирования на поверхности PWB она отображается и проявляется как LPI. Когда-то, но уже не широко применяется из-за низкой точности и разрешения, это трафаретная печать эпоксидными чернилами. В дополнение к отталкиванию, припойный резистент также обеспечивает защиту меди от окружающей среды, которая в случае опасности подверглась бы воздействию.
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.
Есть три метода печати легенды.
Платы без компонентов установленные обычно проходят тестирование на голой плате на предмет «короткого замыкания» и «размыкания». Это называется электрическим тестом или электронным тестом печатной платы. Замыкание - это соединение 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 является экономичным только для крупносерийного или дорогостоящего производства. Для малых или средних систем производства используются тестеры летающих щупов, где испытательные щупы перемещаются по плате с помощью XY привода для контакта с медными площадками. Нет необходимости в приспособлении, и, следовательно, постоянные затраты намного ниже. CAM-система дает указание электрическому тестеру подать напряжение на каждую точку контакта по мере необходимости и проверить, появляется ли это напряжение на соответствующих точках контакта и только на них.
При сборке голая плата заполняется (или «набивается») электронными компонентами, чтобы сформировать функциональную печатную плату (PCA), иногда называемую «печатной платой». монтажная плата »(PCBA). В технологии сквозных отверстий выводы компонентов вставки в отверстия, окруженные токопроводящими площадками; отверстия удерживают компоненты на месте. В технологии поверхностного монтажа (SMT) компонент помещается на печатную плату, чтобы согласоваться с токопроводящими площадками или приземлялись на поверхности печатной платы; паяльная паста, которая ранее была нанесена на контактные площадки, временно удерживает компоненты на месте; если компоненты нижней стороны приклеиваются к плате. Как при доступном представлении, так и при поверхностном уровнеже компоненты припаяны ; после охлаждения и затвердевания припой надежно удерживает компоненты на месте и электрически соединяет их с платой.
Существуют различные методы пайки, используемые для прикрепления компонентов к печатной плате. Крупносерийное производство обычно осуществляется с помощью подъемной машины и пайки объемной волной или печей оплавления, но квалифицированные техники могут вручную паять очень маленькие детали (например, 0201 упаковка размером 0,02 на 0,01 дюйма) под микроскопом , с помощью пинцета и паяльника с острым наконечником для прототипов малых размеров. Селективная пайка может Роман для деликатных деталей. Некоторые SMT нельзя паять вручную, например, корпуса BGA. Все компоненты со сквозными отверстиями можно паять вручную, что делает их предпочтительными для прототипирования, когда размер, вес и использование тех компонентов, которые будут горожанами в крупносерийном производстве, не являются проблемой.
Часто для монтажа в сквозное отверстие и для поверхностного монтажа необходимо объединить в одну сборку, поскольку некоторые необходимые компоненты доступны только в корпусах для поверхностного монтажа, а другие доступны только в корпусах для внутреннего монтажа. Возможности использования некоторых доступных устройств для поверхностного монтажа доступны в корпусах со сквозными отверстиями, желательно использовать преимущества уменьшения размера, веса и стоимости. Еще одна причина использовать оба метода заключается в том, что монтаж в сквозном отверстии может выдержать физические нагрузки для компонентов, которые могут использоваться в качестве разъемов, которые часто сопрягаются и откручиваются, или которые подключаются к кабелям, которые, как ожидается, будут Значительное напряжение на печатной плате и разъеме интерфейса), в то время как компоненты, которые, как ожидается, останутся нетронутыми, займут меньше места при использовании поверхностного монтажа. Для дальнейшего сравнения см. страница SMT..
После того, как плата была заполнена, ее можно протестировать различными способами:
Чтобы облегчить эти испытания, печатные платы могут быть разработаны с дополнительными площадками для делать временные подключения. Иногда эти площадки необходимо изолировать резисторами. Внутрисхемный тест может также проверять функции тестирования граничного сканирования некоторых компонентов. Системы внутрисхемного тестирования также могут использоваться для программирования компонентов энергонезависимой памяти на плате.
При тестировании граничного сканирования тестовые схемы, интегрированные в различные ИС на плате, образуют временные соединения между дорожками печатной платы, чтобы проверить правильность 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 ). Тестовая архитектура JTAG предоставляет средства для тестирования межсоединений между интегральными схемами на плате без использования физических тестовых пробников, используя схемы в ИС для использования самих выводов ИС в качестве тестовых пробников. JTAG поставщики инструментов 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 демонтировать и заменить вышедшие из строя компоненты. Эта задача известна как переделка.
печатных плат, предназначенных для экстремальных нагрузок. среды часто имеют конформное покрытие , которое наносят окунанием или распылением после пайки компонентов. Покрытие предотвращает коррозию и токи утечки или короткое замыкание из-за конденсации. Самыми ранними конформными покрытиями были воск ; современные конформные покрытия обычно представляют собой разбавленные растворы силиконового каучука, полиуретана, акрила или эпоксидной смолы. Другой способ нанесения конформного покрытия - это распыление пластика на печатную плату в вакуумной камере. Главный недостаток защитных покрытий состоит в том, что обслуживание платы чрезвычайно затруднено.
Многие собранные печатные платы чувствительны к статическому электричеству, поэтому их необходимо помещать в антистатические пакеты во время транспортировки. При обращении с этими платами пользователь должен быть заземлен (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 позже, 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 чувствительными к статическому электричеству: следы стали настолько мелкими, что их можно сдуть (или изменить их характеристики) статическим разрядом. Это особенно верно для нетрадиционных печатных плат, таких как MCM и микроволновых печатных плат.
Деревянная конструкция может сэкономить значительное пространство и часто использовалась с компонентами с проволочным концом в приложениях, где пространство было в дефиците (например, взрыватели, системы наведения ракет и телеметрические системы) и в высокоскоростных компьютерах, где важны короткие следы. В конструкции из дровяной древесины компоненты с осевыми выводами устанавливались между двумя параллельными плоскостями. Компоненты были либо спаяны вместе перемычкой, либо они были соединены с другими компонентами тонкой никелевой лентой, приваренной под прямым углом к выводам компонентов. 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 пришлось использовать специальные компоненты с никелевым свинцом , чтобы можно было выполнять 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 вариантах конструкции из массива древесины в качестве метода соединения использовались спаянные 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 стали широко распространены, метод изготовления из дровяной древесины использовался редко, в основном в аэрокосмической промышленности или другой электронике с очень высокой плотностью.
Многопроволочные платы - это запатентованная технология межсоединений, в которой используются изолированные провода с машинной разводкой, 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. Multiwire все еще был доступен через Hitachi.
Поскольку было довольно легко уложить межсоединения (провода) внутри матрицы встраивания, этот подход позволил разработчикам полностью забыть о маршрутизации проводов (обычно это трудоемкая операция проектирования печатной платы): везде, где разработчик нуждается соединение, машина проведет провод по прямой линии от одного места / контакта к другому. Это привело к очень короткому времени проектирования (отсутствие сложных алгоритмов для использования даже для проектов с высокой плотностью), а также к уменьшению перекрестных помех (что еще хуже, когда провода проходят параллельно друг другу - чего почти никогда не бывает в Multiwire), хотя стоимость слишком высока, чтобы конкурировать с более дешевыми технологиями печатных плат, когда требуются большие количества.
Исправить компоновку платы Multiwire легче, чем компоновку печатной платы.
Были разработаны другие конкурирующие технологии дискретной проводки.
До появления печатных плат электрические и электронные схемы соединялись между собой «точка-точка» на шасси. Обычно шасси представляло собой металлический каркас или поддон, иногда с деревянным днищем. Компоненты прикреплялись к шасси, обычно с помощью изоляторов, когда точка соединения на шасси была металлической, а затем их выводы были подключены напрямую или с помощью перемычек с помощью пайки, или иногда с использованием обжать соединители, наконечники соединителей проводов на винтовых клеммах или другими способами. Схемы были большими, громоздкими, тяжелыми и относительно хрупкими (даже без учета бьющихся стеклянных колпачков 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, прикрепленные к изолирующей плите в несколько слоев. Томас Эдисон экспериментировал с химическими методами нанесения проводников на льняную бумагу в 1904 году. Артур Берри в 1913 году запатентовал метод печати и травления в Великобритании, а в США - Макс Шуп. получила патент на нанесение пламенного напыления металла на доску через узорчатую маску. Чарльз Дука в 1927 году запатентовал метод гальваники схемных схем.
Австрийский инженер Пауль Эйслер изобрел печатную схему как часть радиоприемника, работая в Великобритании примерно в 1936 году. Многослойная печатная схема использовалась в немецких морских минах магнитного влияния. Примерно в 1943 году США начали широко использовать эту технологию для изготовления бесконтактных взрывателей для использования во время Второй мировой войны.
Линия производства бесконтактных взрывателей Mark 53 1944После 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 работа по аналогичным направлениям проводилась Джеффри Даммером, затем в RRDE.
. Даже когда печатные платы стали доступны, конструкция шасси точка-точка Метод 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 всей схемой на одной печатной плате, но телевизор, вероятно, содержал бы одну или несколько печатных плат
Пример нарисованных от руки следов на печатной платеPredating изобретением печатной схемы, и аналогичным по духу, было оборудование для изготовления электронных схем (ECME) Джона Саргроува 1936–1947 гг., которое напыляло металл на пластиковую плату бакелита. 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 производиться в больших количествах. Подразделение Centralab компании Globe Union представило предложение, которое отвечает требованиям: керамическая пластина будет отпечатана металлической краской для проводников и углеродным материалом для резисторов, с керамическими дисковыми конденсаторами и сверхминиатюрным вакуумом. трубки припаяны на место. 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 электронике (IEEE) наградил Гарри В. Рубинштейна Премией Кледо Брунетти за ранний ключевой вклад в разработку печатных компонентов и проводников на обычная изоляционная подложка. В 1984 году Рубинштейн был награжден своей альма-матер, Университетом Висконсин-Мэдисон, за свои инновации в технологии печатных электронных схем и производстве конденсаторов. Это изобретение также представляет собой шаг в развитии технологии интегральных схем, поскольку на керамической подложке были изготовлены не только проводка, но и пассивные компоненты.
Печатная плата в виде дизайна на компьютере (слева), реализованная как сборка платы, заполненная компонентами (справа). Плата двухсторонняя, с покрытием для сквозных отверстий, зеленым припоем и белой надписью. Используются компоненты как для поверхностного монтажа, так и для сквозных отверстий.Первоначально каждый электронный компонент имел провода выводов, а на печатной плате просверливались отверстия для каждого провода каждого компонента. Выводы компонентов затем вставлялись в отверстия и припаивались к медным дорожкам на печатной плате. Этот метод сборки называется строительство сквозного отверстия. В 1949 году Мо Абрамсон и Станислав Ф. Данко из корпуса связи армии США разработали процесс автосборки, в котором выводы компонентов вставлялись в схему соединений из медной фольги и паялись погружением. Патент, полученный ими в 1956 году, был передан армии США. С развитием технологий ламинирования платы и травления эта концепция превратилась в стандартный процесс изготовления печатных плат, используемый сегодня. Пайку можно производить автоматически, пропуская плату по 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, небольшие детали для поверхностного монтажа все чаще используются вместо компонентов со сквозным отверстием; это привело к уменьшению размеров плат при 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 микроперехода для производства печатных плат High-Density Interconnect (HDI).
Технология HDI позволяет создавать более плотные конструкции на печатных платах 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 становится 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 существует 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 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 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 в значительной степени способствует решению проблемы электронных отходов.
PCB Materials
Программное обеспечение для разводки печатных плат
Викибук Практические В электронике есть страница по теме: Схема печатной платы |
В Wikibook Practical Electronics есть страница по теме: размеры отверстий для детали со сквозным отверстием |
Викискладе есть носители, относящиеся к печатным платам. |