Плата

Практически во всех электронных изделиях используются печатные платы. Эти платы обеспечивают механическое крепление электронных компонентов, которые составляют конструкцию устройства, а также электрические соединения между ними. Печатные платы, которые применяются в электронной промышленности уже более полувека, стали сложными системами, разрабатываемыми профессиональными инженерами и изготавливаемые с помощью точных технологических процессов.

Понимание технологии изготовления платы не является обязательным для инженеров, но те, кто разбираются в этом процессе, могут разрабатывать более дешевые платы благодаря более высокому производственному выходу.

Печатная плата является основой практически любого электронного изделия.

Анатомия печатной платы

В разделах ниже рассмотрены различные типы плат, от односторонних до гибко-жестких, а также ключевые этапы их изготовления.

Односторонняя печатная плата

Самыми простыми для производства печатными платами являются так называемые односторонние печатные платы, поскольку они содержат проводники только на одной стороне (обычно нижней).

Односторонняя печатная плата с местом для размещения компонентов на верхней стороне и пайкой на нижней стороне.

Производство односторонних печатных плат начинается во многом схожим для всех плат образом – с так называемого основания. Основание может изготавливаться из различных материалов, в зависимости от необходимых свойств конечного устройства, но самым распространенным материалом является стеклотекстолит.

Основание полностью покрыто с одной стороны тонким слоем меди. После сверления отверстий, которые далее будут использоваться для монтажа компонентов, ненужная медь удаляется с помощью процесса химического травления, и остаются только трассы и контактные площадки, необходимые для соединения компонентов между собой.

Верхняя сторона платы называется стороной компонентов, поскольку на эту сторону обычно монтируются компоненты со штыревыми выводами таким образом, что эти выводы выходят на нижней стороне платы, где их проще припаивать к медным контактным площадкам и трассам. Компоненты для поверхностного монтажа являются исключением из этого правила, поскольку их необходимо монтировать непосредственно на медные контактные площадки, и они могут находиться только на стороне пайки.

Двусторонняя печатная плата

Чуть более сложными по сравнению с односторонними платами являются двусторонние печатные платы, с проводниками на обеих сторонах основания. Это позволяет создавать более сложную трассировку. Обычно компоненты со штыревыми выводами также монтируют на верхний слой, а компоненты для поверхностного монтажа – на нижний слой, также как и в односторонних платах.

Двусторонняя печатная плата, с проводниками на верхней и нижней сторонах платы.

Металлизированные сквозные отверстия

При проектировании двусторонних печатных плат обычно полагаются на то, что штыревые выводы компонентов обеспечивают электрическое соединение между верхним и нижнем слоем. Тем не менее, это не всегда возможно, поскольку трассы иногда необходимо вести между двумя слоями в месте, которое не совпадает с выводом компонента. Поэтому в двусторонних печатных платах обычно применяются металлизированные сквозные отверстия.

Двусторонняя печатная плата с металлизированными сквозными отверстиями.

Металлизация отверстий обычно достигается путем электролитического процесса осаждения меди внутри отверстий после их сверления. Это создает проводящий путь между проводниками на верхнем и нижнем слоях, без необходимости в штыревом выводе компонента.

Верхняя и нижняя паяльная маски

Пайка компонентов в большинстве плат осуществляется пайкой волной или пайкой оплавлением припоя. В любом из этих случаев, существует вероятность образование перемычек при пайке между соседними трассами, если не используется паяльная маска. Паяльная маска, как следует из названия, обеспечивает защиту от прилипания припоя к меди в тех местах, где это может вызвать неисправность. Дополнительным преимуществом паяльной маски является защита закрытых маской проводников от коррозии.

Двусторонняя печатная плата с металлизированными сквозными отверстиями и паяльной маской.

Хотя паяльная маска может быть любым цветом, она обычно окрашивается в зеленый цвет, характерный для печатных плат. Паяльная маска, как правило, наносится на верхнюю и нижнюю стороны платы с помощью точного процесса трафаретной печати.

Слои шелкографии

Когда на плату следует добавить визуальную информацию, такую как логотип компании, номера компонентов или инструкции, для нанесения текста на внешнюю поверхность печатной платы используется шелкография. Информация на слое шелкографии обычно использует белый цвет, который контрастирует с выбранным цветом паяльной маски, хотя может использоваться любой цвет. Если позволяет место на плате, текст может указывать позиционные обозначения компонентов, требования к подстройке и дополнительную информацию, которая помогает в процессе сборки.

Верхняя сторона платы с информацией на слое шелкографии, указывающей позиционные обозначения компонентов.

Многослойные печатные платы

До сих пор рассматривались только печатные платы, которые содержат один или два проводящих слоя. Тем не менее, возможно создание плат, которые содержат намного больше слоев. Такие платы называются многослойными, и они позволяют создавать намного более плотную трассировку и обладают лучшими характеристиками по электрическим шумам. Каждый слой многослойной платы является сигнальным или экранным.

• Сигнальные слои – эти слои предназначены только для переноса электрических сигналов между компонентами.
• Экранные слои – эти слои сформированы из крупных блоков проводящего материала, и они, как правило, используются для цепей питания, таких как VCC и GND. Использование больших площадей в экранных слоях отлично подходит для предотвращения и подавления электрических шумов.

Разнесенный вид платы, где сигнальные слои отображены красным, голубым и светло-коричневым, а экранные – зеленым и темно-коричневым.

Доступно множество способов изготовления многослойных печатных плат, но самым простым из них является прессование множества тонких двусторонних плат с использованием препрега между ними.

Соотношение двусторонних печатных плат и слоев препрега определяется в зависимости от стоимости, веса и электромеханических соображений. Сценарии ниже демонстрируют различные способы формирования структуры слоев на примере 8-слойной платы.

1. Сценарий 1 – 8-слойная плата с уклоном в сторону пар внешних слоев.

8-слойная плата с уклоном в сторону пар внешних слоев

В этой структуре слоев, проводники на всех четырех основаниях могут быть вытравлены одновременно, затем основания прессуются вместе через слои препрега. Такая плата требует наименее сложного технологического процесса.

2. Сценарий 2 – 8-слойная плата с уклоном в сторону пар внутренних слоев.

8-слойная плата с уклоном в сторону пар внутренних слоев

В этой структуре слоев, три основания могут быть вытравлены одновременно, но внешние слои препрега и меди должны быть добавлены отдельно, в рамках процесса прессования. Плата как единое целое затем снова проходит процесс травления для удаления ненужной меди с добавленных внешних слоев.

3. Сценарий 3 – 8-слойная плата, созданная на одном основании, сформированная из нескольких слоев препрега.

8-слойная плата, созданная на одном основании, сформированная из нескольких слоев препрега

В этой структуре слоев на одно основание постепенно добавляется множество слоев препрега и меди. Каждый раз добавляется новый слой препрега и меди, и на каждом из них плата проходит процесс травления для удаления ненужной меди с добавленного внешнего слоя. Это происходит последовательно для каждого из шести различных слоев препрега. Поскольку плата проходит процесс травления множество раз, такая плата требует наиболее сложного технологического процесса.

Глухие и скрытые переходные отверстия

Поскольку основания, которые используются для создания многослойной печатной платы, могут быть вытравлены, просверлены и металлизированы по отдельности до того, как будут спрессованы в единую структуру, возможно создание переходных отверстий, которые соединены только с внутренними слоями и не выходят на одну или даже обе внешние стороны итоговой платы. Это значит, что участок, который в противном случае был бы занят переходным отверстием на внешнем слое, теперь можно использовать для трассировки. Эти типы переходных отверстий:

• Глухие переходные отверстия – эти переходные отверстия выходят только на одну сторону печатной платы.
• Скрытые переходные отверстия – эти переходные отверстия не выходят ни на одну из сторон печатной платы.

Хотя использование глухих и скрытых переходных отверстий становится всё более распространенным в конструкциях передовых плат, необходимо тщательно продумать структуру слоев платы, чтобы обеспечить возможность ее изготовления. Рассмотрите структуру на изображении ниже, которая состоит из трех двусторонних оснований, спрессованных с помощью двух слоев препрега. Обратите внимание на расположение переходных отверстий, созданное неосведомленным конструктором.

Типовая 6-слойная структура (сверху) и недопустимое расположение переходных отверстий.

Такое расположение переходных отверстий не допустимо, поскольку невозможно просверлить (и металлизировать) отверстие, которое проходит только через слой препрега. Так что на изображении выше третье и пятое слева переходные отверстия нельзя просверлить. Чтобы разрешить эту ситуацию, необходимо просверлить один из прилегающих слоев основания и использовать точный контроль глубины для создания более правдоподобной конструкции, как показано ниже.

Сверление прилегающего слоя основания и использование точного контроля глубины для размещения переходного отверстия через слой препрега.

Хотя конструкция выше выглядит более правдоподобной, она ограничивает возможные способы прессования слоев, и некоторые производители могут не позволить этого. В любом случае, то, что предлагается, далеко не эффективно. Рабочий процесс будет выглядеть примерно так:

1. Травление, сверление и металлизация каждой двусторонней платы.
2. Прессование плат, покрывающих внутренний слой 2 до нижнего слоя.
3. Использование сверления контролируемой глубины, сверление и металлизация пятого слева переходного отверстия.
4. Добавление финального слоя препрега и внешнего основания, покрывающего верхний и внутренний слой 1.
5. Использование сверления контролируемой глубины, сверление и металлизация третьего слева переходного отверстия.

Этот процесс довольно сложный и требует множества проходов процессов сверления, металлизации и прессования. Более хорошим вариантом было бы сократить этапы 2-4, описанные выше, в один этап, спрессовав все основания в одном процессе и использовав сверление контролируемой глубины для создания двух глухих переходных отверстий, как показано ниже.

Улучшенный подход к сверлению через слой препрега.

Наконец, если сверление контролируемой глубины не доступно у конкретного производителя, может не остаться вариантов, кроме как просверлить плату насквозь в тех местах, где необходимо соединение переходным отверстием через слой препрега, как показано ниже.

Использование скозного сверления для переходных отверстий, которые должны идти через один слой препрега.

Конечно, что это значит, что участок, занимаемый переходным отверстием на внешних слоях платы, больше нельзя использовать для трассировки. Тем не менее, это может быть компромиссным решением, необходимым для получения конструкции платы, которая все еще может быть изготовлена за разумную цену.

Гибко-жесткие печатные платы

Гибко-жесткими называются печатные платы с гибкими и жесткими частями. Такое сочетание позволяет использовать преимущества как гибких, так и жестких плат – на жесткие части монтируются все или большинство компонентов, а гибкие части выступают в роли соединений между жесткими частями.

Вы можете конструировать сложные, гибридные печатные платы, объединяя их жесткие части с помощью гибких, которые можно сложить в соответствии с корпусом.

Гибкие части создаются из гибкой подложки и меди, спрессованные вместе с помощью адгезива, нагрева и давления. На изображении ниже показан упрощенный вид гибкой части, с ее составными элементами и их описанием.

   Упрощенный вид изготовления гибкой части. Материалы спрессовываются вместе под воздействием нагрева и давления.

• Основание – наиболее распространенным основанием является полиимид – прочный, но гибкий термореактивный полимер (теромореактопласт). Примеры полиимидов, часто используемых в производстве гибких плат: Apical, Kapton, UPILEX, VTEC PI, Norton TH и Kaptrex. (Обратите внимание, что это зарегистрированные торговые названия, принадлежащие их владельцам).
• Медь – проводящим слоем, как правило, является катаная или отожженная (RA) медь, или иногда кованая медь. Эти типы меди изготавливаются в виде фольги, и они обладают отличной гибкостью. Они обладают вытянутым зерном, поэтому важно правильно ориентировать ее в динамической гибкой плате, чтобы обеспечить ее максимальный срок службы. Это обеспечиванием ориентацией динамической гибкой платы вдоль ролика (чтобы плата сгибалась таким же образом, которым фольга накручивалась на ролик). Обычно производитель работает с этим в процессе подготовки панелей, и это может стать проблемой только если конструктор сам выполняет панелизацию (называемую размещением в конструкции гибких плат). Медная фольга, как правило, покрыта фоточувствительным слоем, который затем экспонируется и травится для создания нужного проводящего рисунка.
• Адгезив – адгезивом обычно является акрил, и именно он как самый мягкий материал вызывает наибольшее количество технологических трудностей, в том числе: выдавливание, когда адгезив выдавливается в вырезы в защитных слоях для доступа к слоям меди; дефекты расширения по оси Z из-за более высокого коэффициента теплового расширения акрилового адгезива; выделение влаги из-за более высокого коэффициента поглощения влаги, что может привести к рецессии смолы, выбросам и расслаиванию в местах сквозных металлизированных отверстий. Доступны альтернативные адгезивы и безадгезивные процессы, которые можно использовать в более дорогих применениях.

Есть ряд стандартных структур слоев, доступных для гибких и гибко-жестких плат, называемых типами. Общая информация по ним приведена ниже.

• Тип 1 (Один слой) – этот тип предлагает одностороннюю гибкую печатную разводку, содержащую один проводящий слой и один или два полиимидных внешних защитных слоя.

   Гибкая структура типа 1 с двумя защитными слоями, с отверстиями на обеих сторонах и без металлизации отверстий компонентов.

• Тип 2 (Два слоя) – этот тип предлагает двустороннюю гибкую печатную разводку, содержащую два проводящих слоя с металлизированными сквозными отверстиям, с упрочнителями или без них.

   Гибкая структура типа 2 с отверстиями на обеих сторонах и металлизацией сквозных отверстий.

• Тип 3 (Множество слоев) – этот тип предлагает многослойную гибкую печатную разводку, содержащую три или более проводящих слоя с металлизированными сквозными отверстиям, с упрочнителями или без них.

   Гибкая структура типа 3 с отверстиями на обеих сторонах и металлизацией сквозных отверстий.

• Тип 4 (Множество гибко-жестких слоев) – этот тип предлагает многослойные сочетания гибких и жестких материалов (гибко-жесткую структуру), содержащие три или более проводящих слоя с металлизированными сквозными отверстиям. Гибко-жесткая структура имеет проводники на жестких слоях, которые отличают ее от многослойных плат с упрочтителями.

  Гибкая-жесткая структура типа 4, жесткие области формируются добавлением жестких слоев на внешние стороны гибкой структуры.

Процесс производства печатной платы

Процесс производства печатной платы достаточно прост, и хотя он может незначительно отличаться у разных производителей, понимание этого процесса поможет вам создавать печатные платы, которые с меньшей вероятностью будут подвержены проблемам производства. Подробное пошаговое описание этого процесса, используемого для изготовления стандартных многослойных печатных плат (не гибких или гибко-жестких), приведено ниже в качестве руководства.

1. Выбор материала – выбираются основание и препрег, необходимые для финальной сборки, и они вырезаются по размеру.
2. Сверление и металлизация глухих/скрытых переходных отверстий – этот шаг необходим, только если в плате используются глухие и/или скрытые переходные отверстия. Происходит сверление переходных отверстий и их покрытие слоем металлизации для обеспечения проводимости через основание.
3. Нанесение/экспонирование/проявление фоторезиста – нанесение фоторезистивного слоя на покрытые медью основания и его последующее экспонирование ультрафиолетом через негативный фотошаблон проводящего рисунка слоя. После проявления фоторезист затвердевает, и он становится невосприимчивым к травителю, используемому на следующем шаге. Непроявленный фоторезист смывается, вскрывая медь под собой.
4. Травление – погружение в кислотный раствор для удаления незащищенной меди.
5. Удаление фоторезиста – фоторезист, используемый для защиты проводящего рисунка, больше не нужен, и он удаляется.
6. Прессование оснований с препрегом для создания панели – сборка оснований одно на другое со слоями препрега между ними. При помещении в пресс с нагревом, препрег плавится в эпоксидный клей и связывает слои основания для формирования завершенной панели структуры слоев.
7. Сверление и металлизация отверстий/переходов – сверление отверстий и переходов в завершенной панели и их покрытие слоем металлизации для обеспечения проводимости.
8. Нанесение/экспонирование/проявление фоторезиста – нанесение фоторезистивного слоя на внешние слои и его последующее экспонирование ультрафиолетом через негативный фотошаблон внешних слоев. После проявления фоторезист затвердевает, и он становится невосприимчивым к травителю, используемому на следующем шаге. Непроявленный фоторезист смывается, вскрывая медь под собой.
9. Травление – погружение в кислотный раствор для удаления незащищенной меди.
10. Удаление фоторезиста – фоторезист, используемый для защиты проводящего рисунка, больше не нужен, и он удаляется.
11. Печать паяльной маски – печать паяльной маски на плату для защиты проводящего рисунка от окисления и предотвращения прилипания припоя на те части платы, где он не нужен.
12. Нанесение финишного покрытия – нанесение финишного покрытия на вскрытые области меди для их защиты от элементов и для обеспечения подходящей поверхности для монтажа и пайки компонентов.
13. Печать шелкографии – печать текста и графики шелкографии на завершенной плате.
14. Фрезерование – фрезерование на станке с ЧПУ для определения формы завершенной платы.
15. Упаковка и отгрузка завершенной платы – упаковка платы для ее защиты от влаги и коррозии и отгрузка завершенной платы заказчику.

Визуализация процесса производства

В следующих разделах приведен графический обзор процесса изготовления платы для плат с различным количеством слоев.

Двусторонние платы

1. Изготовление двусторонних плат начинается во многом аналогично изготовлению односторонних плат, за исключением того, что основание покрыто медью с верхней и нижней стороны.

2. В плате предварительно высверливаются все отверстия.

3. После чего наносится фоторезистивная маска.

4. Негативное изображение проводящего рисунка точно совмещается над фоторезистом.

5. Фоторезистивное покрытие чувствительно к свету, поэтому при засветке платы мощным ультрафиолетом вскрытые участки фоторезиста затвердевают.

6. Негативный слой удаляется и происходит проявление фоторезиста.

7. Неэкспонированные участки фоторезиста вымываются для вскрытия меди под ними.

8. Затем плата погружается в кислоту. Полимеризованный фоторезист защищает медь, которую он покрывает, а вскрытая медь травится, оставляя только проводящий рисунок.

9. Затем полимеризованный фоторезист удаляется для вскрытия проводящего рисунка под ним.

10. Затем происходит химическое осаждение на стенки отверстий и переходов для обеспечения проводимости между верхним и нижним слоем.

11. Медь покрывается тонким слоем олова для лучшей адгезии припоя, и происходит нанесение паяльной маски для отталкивания припоя от тех областей платы, где он не нужен. Паяльная маска, как правило, придает плате зеленый цвет, но доступны и другие цвета паяльной маски.

Четырехслойные платы

1. Для четырехслойных плат, травление основания происходит перед сверлением, после чего происходит соединение препрега и меди с внешними поверхностями под воздействием нагрева и высокого давления.

2. Затем структура высверливается и происходит травление внешних слоев, во многом аналогично тому, как это описано выше для двусторонних плат.

Шестислойные платы и платы с бо́льшим количеством слоев

1. Для плат, в которых необходимо шесть и больше слоев, слои основания и препрега чередуются для создания структуры с нужным количеством слоев. Травление оснований происходит по отдельности, после чего они накладываются друг на друга со слоями препрега сверху и снизу и с соединением двух оснований. Как и в четырехслойной плате, также на верхнюю и нижнюю внешние поверхности присоединяются листы меди.

2. Затем структура высверливается и происходит травление внешних слоев, во многом аналогично тому, как это описано выше для двусторонних плат. Этот процесс можно расширить подобным образом для создания плат с 30 и более слоями.

Что дальше?

Не важно, плату какого типа вы хотите изготовить, будь то жесткая или гибко-жесткая плата – сначала необходимо определить нужную структуру слоев. В редакторе плат Altium Designer, структуры слов определяются в Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager). Новая плата включает в себя одну структуру по умолчанию: диэлектрическое основание, два проводящих (сигнальных) слоя, а также верхний и нижний слои паяльной маски и шелкографии, как показано на изображении ниже.

Управление структурой слоев осуществляется в Layer Stack Manager. Здесь показана единственная структура по умолчанию новой платы.

Для получения более подробной информации об определении структуры слоев платы в Altium Designer, перейдите на страницу Определение структуры слоев.