Loading AI tools
Из Википедии, свободной энциклопедии
Печа́тная пла́та (англ. printed circuit board, PCB, или printed wiring board, PWB) — пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.
В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги, целиком расположенной на твёрдой изолирующей основе. Печатная плата содержит монтажные отверстия и контактные площадки для монтажа выводных или планарных компонентов. Кроме того, в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения участков фольги, расположенных на разных слоях платы. С внешних сторон на плату обычно нанесены защитное покрытие («паяльная маска») и маркировка (вспомогательный рисунок и текст согласно конструкторской документации).
В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком печатные платы подразделяют на:
По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа увеличивается количество слоёв на платах[1].
По свойствам материала основы:
Печатные платы могут иметь свои особенности в связи с их назначением и требованиями к особым условиям эксплуатации (например, расширенный диапазон температур), или особенности применения (например, платы для приборов, работающих на высоких частотах).
Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как стеклотекстолит, гетинакс.
Также основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие печатные платы применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. Для дальнейшего улучшения тепловых характеристик металлическое основание платы может крепиться к радиатору.
В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д)[2], и керамика. Такие платы имеют следующие ограничения:
Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.
Конструирование плат происходит в специализированных программах автоматизированного проектирования. Наиболее известны PADS Professional, Xpedition, Altium Designer, P-CAD, OrCAD, TopoR, Specctra, Proteus, gEDA, KiCad и др.[4] Сам процесс конструирования в русском языке часто именуют сленговым словом разводка, подразумевая процесс прокладки проводников.
В России существуют стандарты на конструкторскую документацию печатных плат в рамках Единой системы конструкторской документации:
Другие стандарты на печатные платы:
Рассмотрим типовой процесс проектирования печатной платы по готовой принципиальной электрической схеме: [5]
Производители печатных плат часто сталкиваются с неочевидными ошибками конструирования начинающими инженерами. Наиболее типичные ошибки[7]:
Изготовление ПП возможно аддитивным или субтрактивным методом. В аддитивном методе проводящий рисунок формируется на нефольгированном материале путём химического меднения через предварительно нанесённую на материал защитную маску. В субтрактивном методе проводящий рисунок формируется на фольгированном материале путём удаления ненужных участков фольги. В современной промышленности применяется исключительно субтрактивный метод.
Весь процесс изготовления печатных плат можно разделить на четыре этапа:
Часто под изготовлением печатных плат понимают только обработку заготовки (фольгированного материала). Типовой процесс обработки фольгированного материала состоит из нескольких этапов: сверловка переходных отверстий, получение рисунка проводников путём удаления излишков медной фольги, металлизация отверстий, нанесение защитных покрытий и лужение, нанесение маркировки.[8] Для многослойных печатных плат добавляется прессование конечной платы из нескольких заготовок.
 | В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску). |
Фольгированный материал — плоский лист диэлектрика с наклеенной на него медной фольгой. Как правило, в качестве диэлектрика используют стеклотекстолит. В старой или очень дешёвой аппаратуре используют текстолит на тканевой или бумажной основе, иногда именуемый гетинаксом. В СВЧ-устройствах используют фторсодержащие полимеры (фторопласты). Толщина диэлектрика определяется требуемой механической и электрической прочностью, наиболее распространённая толщина как однослойных, так и многослойных плат составляет порядка 1,5 мм; для многослойных плат используются более тонкие слои диэлектрика.
На диэлектрик с одной или двух сторон наклеивают сплошной лист медной фольги. Толщина фольги определяется токами, под которые проектируется плата. Наибольшее распространение получила фольга толщиной 18 и 35 мкм, гораздо реже встречаются 70, 105 и 140 мкм. Такие значения исходят из стандартных толщин меди в импортных материалах, в которых толщина слоя медной фольги исчисляется в унциях (oz) на квадратный фут. 18 мкм соответствует ½ oz и 35 мкм — 1 oz.
Отдельную группу материалов составляют металлические печатные платы из алюминия. Алюминиевые платы часто используются, когда требуется отводить тепло через поверхность платы, например в светодиодных светильниках. Их можно разделить на две группы.
Первая группа — решения в виде листа алюминия с качественно оксидированной поверхностью, на которую наклеена медная фольга. Такие платы нельзя сверлить, поэтому обычно их делают только односторонними. Обработка таких фольгированных материалов выполняется по традиционным технологиям химического нанесения рисунка. Иногда вместо алюминия применяют медь или сталь, ламинированные тонким изолятором и фольгой. Медь имеет бо́льшую теплопроводность, нержавеющая сталь платы обеспечивает коррозионную стойкость.[9]
Вторая группа подразумевает создание токопроводящего рисунка непосредственно в алюминии основы. Для этой цели алюминиевый лист оксидируют не только по поверхности, но и на всю глубину основы согласно рисунку токопроводящих областей, заданному фотошаблоном.[10][11]
При изготовлении плат используются химические, электролитические или механические методы воспроизведения требуемого токопроводящего рисунка, а также их комбинации.
Химический способ изготовления печатных плат из готового фольгированного материала состоит из двух основных этапов: нанесение защитного слоя на фольгу и травление незащищенных участков химическими методами.
В промышленности защитный слой наносится фотолитографическим способом с использованием ультрафиолетово-чувствительного фоторезиста, фотошаблона и источника ультрафиолетового света. Фоторезистом сплошь покрывают медь фольги, после чего рисунок дорожек с фотошаблона переносят на фоторезист засветкой. Засвеченный фоторезист смывается, обнажая медную фольгу для травления, незасвеченный фоторезист фиксируется на фольге, защищая её от травления.
Фоторезист бывает жидким или пленочным. Жидкий фоторезист наносят в промышленных условиях, так как он чувствителен к несоблюдению технологии нанесения. Пленочный фоторезист популярен при ручном изготовлении плат, однако он дороже. Фотошаблон представляет собой УФ-прозрачный материал с распечатанным на нём рисунком дорожек. После экспозиции фоторезист проявляется и закрепляется как и в обычном фотохимическом процессе.
В любительских условиях защитный слой в виде лака или краски может быть нанесен шелкотрафаретным способом или вручную. Радиолюбители для формирования на фольге травильной маски применяют перенос тонера с изображения, отпечатанного на лазерном принтере («лазерно-утюжная технология»).
Под травлением фольги понимают химический процесс перевода меди в растворимые соединения. Незащищенная фольга травится, чаще всего, в растворе хлорного железа или в растворе других химикатов, например медного купороса, персульфата аммония, аммиачного медно-хлоридного, аммиачного медно-сульфатного, на основе хлоритов, на основе хромового ангидрида[12]. При использовании хлорного железа процесс травления платы идёт следующим образом: FeCl3 + Cu → FeCl2 + CuCl. Типовая концентрация раствора 400 г/л, температура до 35 °C. При использовании персульфата аммония процесс травления платы идет следующим образом: (NH4)2S2O8 + Cu → (NH4)2SO4 + CuSO4[12].
После травления защитный рисунок с фольги смывается.
Механический способ изготовления предполагает использование фрезерно-гравировальных станков или других инструментов для механического удаления слоя фольги с заданных участков.
До недавнего времени лазерная гравировка печатных плат была слабо распространена в связи с хорошими отражающими свойствами меди на длине волны наиболее распространённых мощных газовых СО-лазеров. В связи с прогрессом в области лазеростроения сейчас начали появляться промышленные установки прототипирования на базе лазеров.[13]
Переходные и монтажные отверстия могут сверлиться, пробиваться механически (в мягких материалах типа гетинакса) или прожигаться лазером (очень тонкие переходные отверстия). Металлизация отверстий обычно выполняется химическим или, реже, механическим способом.
Механическая металлизация отверстий выполняется специальными заклёпками, пропаянными отрезками провода или заливкой отверстия токопроводящим клеем (отверждаемой пастой). Механический способ дорог в производстве и потому применяется крайне редко, обычно — в высоконадёжных штучных решениях, специальной сильноточной технике или радиолюбительских условиях при штучном исполнении.
При химической металлизации в фольгированной заготовке сначала сверлятся отверстия, затем они металлизируются осаждением меди и только потом производится травление фольги для получения рисунка печати. Химическая металлизация отверстий — многостадийный сложный процесс, чувствительный к качеству реактивов и соблюдению технологии. Поэтому в радиолюбительских условиях практически не применяется. Упрощённо состоит из таких этапов:
Многослойные платы (с числом слоёв проводников более 2) собираются из стопки тонких двух- или однослойных печатных плат, изготовленных традиционным способом (кроме наружных слоёв пакета — их на этом этапе оставляют с нетронутой фольгой). Их собирают «бутербродом» со специальными прокладками (препреги). Далее выполняется прессование в печи, сверление и металлизация переходных отверстий. В последнюю очередь делают травление фольги внешних слоёв.[1] Поскольку толщина меди во внешних слоях увеличивается на величину гальванически осаждённой меди при металлизации переходных отверстий, это накладывает дополнительные ограничения на ширину дорожек и зазоров между ними.
Переходные отверстия в таких многослойных платах могут также делаться до прессования. Если отверстия делаются до прессования, то можно получать платы с так называемыми «глухими» и «слепыми» отверстиями (когда отверстие есть только в одном слое «бутерброда»), что позволяет уплотнить компоновку для сложных плат. Себестоимость производства в этих случаях ощутимо возрастает, что требует разумного компромисса в проектировании такого рода плат.
Возможны такие покрытия, как:
После монтажа печатных плат возможно нанесение дополнительных защитных покрытий, защищающих как саму плату, так и пайку и компоненты.
На одном листе заготовки зачастую помещается множество отдельных плат. Весь процесс обработки фольгированной заготовки они проходят как одна плата, и только в конце их готовят к разделению. Если платы прямоугольные, то фрезеруют несквозные канавки, облегчающие последующее разламывание плат (скрайбирование, от англ. scribe царапать). Если платы сложной формы, то делают сквозную фрезеровку, оставляя узкие мостики, чтобы платы не рассыпались. Для плат без металлизации вместо фрезеровки иногда сверлят ряд отверстий с маленьким шагом. Сверление крепежных (неметаллизированных) отверстий также происходит на этом этапе.
См. также: ГОСТ 23665-79 Платы печатные. Обработка контура. Требования к типовым технологическим процессам.
По типовому техпроцессу отделение плат от заготовки происходит уже после монтажа компонентов.
Пайка является основным методом монтажа компонентов на печатные платы. Пайка может выполняться как вручную паяльником, так и с помощью специально разработанных технологий групповой пайки.
Установка компонентов может выполняться как вручную, так и на специальных автоматах-установщиках. Автоматическая установка уменьшает вероятность ошибки и значительно ускоряет процесс (лучшие автоматы устанавливают несколько компонентов в секунду).
Основной метод автоматизированной групповой пайки для выводных компонентов. С помощью механических активаторов создаётся длинная волна расплавленного припоя. Плату проводят над волной так, чтобы волна едва коснулась нижней поверхности платы. При этом выводы заранее установленных выводных компонентов смачиваются волной и припаиваются к плате. Флюс наносится на плату губчатым штемпелем.
Основной метод групповой пайки планарных компонентов. На контактные площадки печатной платы через трафарет наносится специальная паяльная паста (порошок припоя в пастообразном флюсе). Затем устанавливаются планарные компоненты. Затем плату с установленными компонентами подают в специальную печь, где флюс паяльной пасты активизируется, а порошок припоя плавится, припаивая компонент.
Если такой монтаж компонентов выполняется с двух сторон, то плата подвергается этой процедуре дважды — отдельно для каждой стороны монтажа. Тяжелые планарные компоненты устанавливаются на капельки клея, которые не позволяют им упасть с перевернутой платы во время второй пайки. Легкие компоненты удерживаются на плате за счёт поверхностного натяжения припоя.
После пайки плату обрабатывают растворителями с целью удаления остатков флюса и других загрязнений, либо, при использовании безотмывочной паяльной пасты, плата готова сразу для некоторых условий эксплуатации.
После пайки печатную плату с компонентами покрывают защитными составами: гидрофобизаторами, лаками (например, УР-231), средствами защиты открытых контактов. В отдельных случаях для работы платы в условиях сильных вибраций плата может быть целиком залита в резиноподобный компаунд.
Для массового промышленного производства печатных плат разработаны автоматизированные методы контроля качества.
При контроле правильности монтажных соединений осуществляют проверку электрических соединений на отсутствие обрывов или замыканий между ними.
При контроле качества монтажа электронных компонентов применяют оптические методы контроля. Оптический контроль качества монтажа выполняется с помощью специализированных стендов с видеокамерами высокого разрешения. Стенды встраиваются в технологическую линию на этапах:
Подложки гибридных микросхем представляют собой нечто похожее на керамическую печатную плату, однако обычно используют другие техпроцессы:
Керамические корпуса электронных микросхем и некоторых других компонентов также выполняются с привлечением технологий гибридных микросхем.
Мембранные клавиатуры часто выполняют на плёнках методом шелкографии и спекания легкоплавкими металлизированными пастами.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
