Как называются дорожки на плате

17

Печатная плата: виды, требования, размеры, методы изготовления

Название печатная плата (ПП) – это вариант обозначения на английском языке printedcircuitboard, или сокращенно PCB. Дословно – «плата с напечатанными электрическими цепями».

Что такое печатная плата

Печатная плата – это конструктивный элемент в виде пластины, используемый для установки электронных компонентов и электрического соединения их между собой. Основа платы – диэлектрический материал с токопроводящими элементами на его поверхности, а в некоторых случаях и внутри.

Такая пластина обеспечивает надежное крепление электронных компонентов за счет пайки и дополнительной клеевой или лаковой фиксации. Для электрических соединений между компонентами обычно в процессе изготовления ПП формируются плоские медные проводники, называемые дорожками. На дорожках формируются контактные площадки. К ним напрямую припаиваются планарные электронные компоненты. Для припаивания и крепления компонентов со штыревыми и проволочными выводами через контактные площадки просверливаются отверстия.

Для чего реально нужна печатная плата? Готовая печатная плата с установленными на ней компонентами является основой для сборки различных приборов и устройств. Электронные модули на основе ПП сегодня используют в самой разнообразной технике, включая промышленное, военное, авиакосмическое, бытовое и прочее оборудование.

Виды печатных плат как конструктивного элемента электроники, радио- и вычислительной техники совершенствовались, начиная с 1902 года. Именно тогда был выдан патент на первый прототип современных ПП. В процессе дальнейшего развития радиотехники и электроники применялись разные диэлектрики, появились новые методы создания электрических соединений.

Но по-настоящему печатная плата появилась только после Второй мировой войны, когда австрийский изобретатель Пауль Эйслер начал использовать методы из технологий полиграфической печати для нанесения рисунка токопроводящих дорожек на слой медной фольги.

По наиболее распространенной классификации сегодня все ПП делятся по принципу размещения токопроводящего слоя на:

• односторонние;
• двухсторонние;
• многослойные.

В односторонних изделиях медные дорожки располагаются на одной стороне, в двухсторонних – на обеих. Такие платы иногда называют одно- и двухслойными. Но двухслойность (два слоя фольги) в данном случае условная, тогда как многослойные классифицируются по количеству слоев диэлектрика.

Технологически более сложные многослойные платы прессуют из нескольких слоев диэлектрика с размещаемыми между ними токопроводящими дорожками. Для связи между электрическими цепями на разных слоях используют межслойные металлизированные отверстия.

По способу нанесения и закрепления медных дорожек платы делятся на изготавливаемые по субтрактивным и аддитивным технологиям. Субтрактивный метод заключается в удалении лишних участков медной фольги с помощью химического травления. При аддитивной технологии выделенные с помощью маски токопроводящие дорожки формируются методами химического омеднения.

• Под гибкими печатными платами понимают одно- и многослойные токопроводящие дорожки на гибком диэлектрике. Они востребованы в некоторых типах смартфонов и приборов, в робототехнике и другом оборудовании с установленными на подвижных частях жесткими платами.
• Специальные типы ПП применяются для работы в расширенном диапазоне температур, в силовых установках и на сверхвысоких частотах (СВЧ). К ним предъявляются особые требования для каждого варианта применения.
• Печатные платы на металлической основе востребованы при повышенном тепловыделении электронных компонентов (например, планарные светодиоды повышенной яркости). Одностороннюю плату из стеклотекстолита наклеивают на алюминиевую или медную основу в качестве теплоотвода.

Появление новых типов устройств и приборов стимулирует разработку новых материалов и видов.

Из чего делают печатные платы

В качестве диэлектрика для ПП часто применяют пластины стеклотекстолита, ранее гетинакса. Они включают прессованные материалы типа тканей и бумаги, пропитанные фенольной или эпоксидной смолами. На одну или обе поверхности диэлектрика напрессовывается тонкий слой медной фольги. Получаемые пластины называют фольгированными. Они отличаются невысокой стоимостью и легко обрабатываются, а готовые детали отвечают основным требованиям для сложной аппаратуры и техники массового применения.

Материал диэлектрической основы печатной платы во многом определяет ее рабочие характеристики. Поэтому для использования в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) выбирают керамику или фольгированные пластины на основе фторопласта, которые к тому же работают и при повышенных температурах (до +260 °С). Для портативных устройств сегодня востребованы гибкие ПП. Их изготовляют на основе полиимидных материалов в качестве гибкого диэлектрика.

Токопроводящие дорожки печатных плат для блоков питания и другой силовой электроники должны пропускать повышенные токи. Поэтому толщина слоя фольги должна быть увеличенной (70, 100, 150 и более микрон).

Выбор материала и технологии изготовления печатных плат во многом определяет надежность и производительность всего устройства. Особенно высокие требования предъявляются к изделиям класса HDI (High Density Interconnect), применяемым в портативной электронике. Такие платы делают из высокотемпературного стеклотекстолита марки FR-4. Они должны иметь более узкие дорожки и зазоры между ними (75 микрон и менее).

Методы изготовления

Существуют разные методы и способы изготовления печатных плат из стеклотекстолита, керамических, фторопластовых пластин и других материалов, учитывающие методики и технологии изготовления, а также требования ГОСТ к печатным платам, включая класс точности. Чаще всего ПП делают из стеклотекстолита FR-4, который может иметь разную толщину диэлектрика и металлической фольги.

• При субтрактивном методе формирования печатных дорожек лишние участки медной фольги обычно удаляются методом гальванического травления или механического фрезерования. Для изготовления плат повышенной точности применяют лазерное сверление и фрезерование.

• Аддитивный и полуаддитивный метод предполагает нанесение дорожек и меднение переходных отверстий на чистом стеклотекстолите методом химического и гальванического осаждения меди через защитную маску.

Наиболее сложные технологии производства многослойных печатных плат включают следующие методы:

• Попарное прессование – металлизация межслойных отверстий перед сборкой пакета плат.
• Металлизация отверстий между слоями – предварительно платы собираются в пакет и прессуются, а затем сверлятся отверстия для металлизации.
• Послойное наращивание – межслойное соединение проводников гальваническим осаждением меди в межслойных отверстиях.
• Комбинация металлизации и послойного наращивания межслойных отверстий.

Этапы изготовления

Включают множество процессов и во многом зависят от требований к печатным платам и производственной технологии. Предварительное проектирование для конкретного устройства ведется на основе принципиальной электрической схемы. При этом разрабатывается топология платы, включающая размеры и оптимальную компоновку электронных компонентов с целью минимизации токопроводящих дорожек и, при необходимости, взаимных электромагнитных помех. Выбирается оптимальный вид, размер и способы изготовления печатной платы.

Использование стеклотекстолита с двухсторонним фольгированием – распространенный вариант при серийном и мелкосерийном изготовлении плат.

Основные этапы такого производства с использованием технологии гальванического травления медной фольги:

1. Заготовки необходимого размера вырезаются из больших листов стеклотекстолита требуемой толщины и очищаются от загрязнений перед последующей обработкой.
2. На подготовленные пластины наносится защитный рисунок печатных дорожек с помощью светочувствительного материала (фоторезиста) методом фотолитографии или трафаретной печати (шелкографии).
3. Травление на подготовленных платах открытых медных участков производится в специальных гальванических ваннах в химически активном растворе.
4. На очищенной после травления пластине сверлятся технологические, межслойные соединительные и установочные отверстия для электронных компонентов со штыревыми выводами.
5. При необходимости на двухсторонней фольге выполняется металлизация монтажных и межслойных соединительных отверстий.
6. Нанесение защитной паяльной маски из теплостойкого полимерного материала, защищающей поверхность платы от горячего оловянного расплава, который воздействует при последующей пайке лишь на открытые контактные площадки.
7. Готовая продукция проходит все предусмотренные требованиями ГОСТ проверки качества и отправляется заказчику для монтажа электронных компонентов.

Этапы изготовления печатных плат на основе гибких и фторопластовых материалов имеют свои особенности. Жесткие платы с металлической подложкой изготавливают напрессовыванием предварительно заготовленных плат из стеклотекстолита.

Печатные платы являются составляющим компонентом современной техники. Этапы создания и изготовления печатных плат – достаточно трудоемкий и высокотехнологичный процесс, требующий разнообразного дорогостоящего оборудования. Поэтому их производством часто занимаются специализированные предприятия и компании. Также они предлагают заказчикам разработку необходимой документации, подбор оптимальной технологии изготовления и сопутствующие услуги.

Урок 2.1 — Печатная плата

Печатная плата — пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата является основой любой современной радиолюбительской конструкции и предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой. Цвет печатной платы может быть любой: зелёный (по умолчанию), синий, красный. чёрный, на другие характеристики платы он не влияет.

Печатная плата имеет две стороны. Условно их можно назвать лицевой стороной и стороной печатных проводников. В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги, целиком расположенной на твердой изолирующей основе. Печатная плата содержит монтажные отверстия и контактные площадки к которым и припаиваются выводы радиодеталей. Кроме того, в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения участков фольги, расположенных на разных слоях платы. С лицевой стороны наносится маркировка (вспомогательный рисунок и текст согласно конструкторской документации), чтобы можно было разобраться, куда и в какой полярности установить ту или иную деталь.

На картинках ниже показана одна и та же печатная плата с разных сторон.

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком печатные платы подразделяют на:

• односторонние (ОПП): имеется только один слой фольги, наклеенной на одну сторону листа диэлектрика
• двухсторонние (ДПП): два слоя фольги
• многослойные (МПП): фольга не только на двух сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика. Многослойные печатные платы получаются склеиванием нескольких односторонних или двухсторонних плат

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. При этом металлическое основание платы крепится 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.

Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.

Токопроводящие дорожки обычно покрыты слоем изолирующего лака (так называемой «маской»), и только контактные площадки открыты от маски и готовы к пайке. Контактные площадки подавляющего большинства плат Мастер Кит серебристые и блестящие, так как покрыты слоем олова, что защищает их от преждевременного окисления при длительном хранении. Такие платы легко паяются с помощью самого обычного припоя с каналом канифоли, и вам не потребуется приобретать дополнительно канифоль или флюс.

Если же вам встретится плата, контактные площадки которой не покрыты защитным слоем олова, а медные (характерного жёлтого цвета), то для снятия окислов и качественной пайки бывает необходимо применять канифоль и флюс. В запущенных случаях помогает шлифовка контактных площадок тонкой наждачной бумагой («нулёвкой»).

Иногда на печатной плате размещены отверстия для её крепежа в корпусе. Если таких отверстий не предусмотрено, можно самостоятельно просверлить их обычным сверлом в свободном от компонентов месте. Разумеется, нужно убедиться, что новое отверстие не нарушит какой-нибудь печатный проводник или контактную площадку.

Если печатная плата чуть-чуть не влезает в планируемый для её размещения корпус, плату можно подточить с торцов напильником. Но следите за тем, чтобы напильник не нарушил токопроводящие дорожки платы.

Испортить печатную плату сложно, но, если постараться, всё-таки возможно. Во-первых, не следует чрезмерно сильно сгибать её — плата может сломаться! И не допускайте перегрева платы при пайке! Хотя токопроводящие дорожки и контактные площадки из фольги приклеены к основе платы очень качественным клеем, устойчивым к воздействию высоких температур, чрезмерно долгое непрерывное воздействие (более нескольких секунд) горячего жала паяльника на контактную площадку может привести к её отрыву от основы. Если это всё же произошло, можно приклеить оторвавшуюся дорожку. Если же дорожка не просто отклеилась, а оторвалась, для восстановления целостности электрической цепи можно применить отрезок провода.

Промывать печатную плату от остатков паяльных материалов можно с помощью спиртового раствора (спирта).

Печатные платы

Warning: file(http://www.radioingener.ru/wp-content/uploads/Книга1.txt): failed to open stream: HTTP request failed! HTTP/1.1 404 Not Found in /home/host1754796/www.radioingener.ru/htdocs/www/wp-content/plugins/shortcodes-ultimate/includes/deprecated/functions.php on line 152

Warning: Invalid argument supplied for foreach() in /home/host1754796/www.radioingener.ru/htdocs/www/wp-content/plugins/shortcodes-ultimate/includes/deprecated/functions.php on line 211

Warning: array_shift() expects parameter 1 to be array, null given in /home/host1754796/www.radioingener.ru/htdocs/www/wp-content/plugins/shortcodes-ultimate/includes/deprecated/functions.php on line 215

Warning: Invalid argument supplied for foreach() in /home/host1754796/www.radioingener.ru/htdocs/www/wp-content/plugins/shortcodes-ultimate/includes/deprecated/functions.php on line 216

Современный мир невозможно представить без электроники. Основой любых сложных механизмов являются печатные платы. На них устанавливаются элементы радиоэлектроники, которые отвечают за различные функции, выполняют определённые задачи. Начинающим радиолюбителям нужно знать какие виды оснований существуют, как их можно сделать самостоятельно.

• 1 Что такое печатная плата?
• 2 Технические характеристики
• 3 Виды печатных плат
• 4 Принципы выбора готовых плат: цены и производители
• 5 Материалы для изготовления плат
• 6 Изготовление печатной платы своими руками
• 7 Типичные ошибки при конструировании плат

Что такое печатная плата?

Плата представляет собой один или несколько слоев диэлектрика, на которых нанесён токопроводящих рисунок. Проводящих рисунков может быть два или из них составлена сеть. Она является основанием для закрепления отдельных элементов радиоэлектроники, чтобы соединить их вместе. Чтобы соединять отдельные детали с токопроводящим рисунком используется припой или паяльная паста.

Технические характеристики

Чтобы иметь общее представление о возможностях, конструкции, предназначении оснований для создания электроники, необходимо знать их технические характеристики:

* тип — многослойные, однослойные, гибкие, жёсткие;

* проводящие слои — до 18 штук;

* максимальные габариты — для многослойных 610х470 мм, односторонние 1200х457 мм, гибкие 5000х340 мм;

* максимальная плотность — 3,2 мм;

* ширина токопроводящих дорожек — от 25 до 75 мкм;

* максимальная плотность наружных слоёв фольги — 400 мкм;

* максимальная плотность внутренних слоёв фольги — 105 мкм;

* допустимый диаметр для сверления — 6.35 мм.

Существует несколько видов финишных покрытий, которые выбираются зависимо от предназначения основания, требуемых характеристик. К ним относятся:

* лужение без свинца;

Контакты покрываются гальваническим золотом.

Виды печатных плат

Основания для изготовления электроники разделяются на несколько видов. Они отличаются по конструкции, характеристикам, предназначению. Разновидности плат:

1. Односторонние — конструкции представляющие собой диэлектрические пластинки, на которые с одной стороны нанесён токопроводящий рисунок. Для соединения отдельных контактов на верхнем диэлектрическом слое закрепляются металлические перемычки. Односторонние основания используются при изготовлении недорогой бытовой техники. Связано это с их малой надёжностью, недолговечностью, хрупкой конструкцией.

2. Двухсторонние — на диэлектрическим слое с двух сторон наносятся токопроводящие рисунки, что позволяет устанавливать на основание большее количество электрических элементов, расширить функционал, технические характеристики платы. Отверстия имеют металлизированные вставки. Благодаря им прочность скрепления отдельных деталей с основанием становится надёжнее. Двухсторонние

пластинки считаются наиболее популярными при изготовлении бытовой электроники, компьютеров.

3. Однослойные — элементарная конструкция, состоящая из одной пластинки, прослойки покрытой металлом.

4. Многослойные — сложные конструкции, которые используются при изготовлении сложных приборов, механизмов. Несколько слоёв, расположенных в определённой последовательности, позволяют надёжно закреплять основные компоненты. Количество слоёв выбирается зависимо от требуемых характеристик. Максимальное количество — 40. У многослойных оснований есть ряд недостатков. Это сложности во время изготовления, сложный процесс починки, дороговизна расходных материалов.

5. Гибкие — могут быть односторонними, двухсторонними, иметь несколько слоев. Изготавливаются на гибком основании. Предназначены для соединения отдельных элементов электрического оборудования. Могут заменять собой кабеля.

6. Гибко-жесткие — конструкция представляет собой шлейф, на котором в определённых местах закрепляются жесткие пластинки, с нанесёнными на них токопроводящими рисунками. Используются для соединение жестких плат между собой. Обеспечивают надёжную связку.

7. Жёсткие — плитки, выполненные из жёстких слоев, которые не дают платам деформироваться. Простой пример жёсткого основания — материнская плата, устанавливаемая в компьютерах.

8. Теплопроводные — другие названия этих пластинок ВЧ, СВЧ. Во время изготовления основания используется керамика, чтобы оно выдерживало воздействие высоких температур. Дополнительно керамика повышает жёсткость конструкции.

Зависимо от вида плат изменяются их характеристики, внешний вид, размер, возможности.

Принципы выбора готовых плат: цены и производители

Магазины радиоэлектроники предлагают покупателям широкий ассортимент печатных плат для изготовления электроники. При покупке важно учитывать некоторые факторы:

1. Размеры основания. Зависит от количества элементов, устанавливаемых на него.

2. Количество слоёв, используемых при изготовлении плитки.

3. Наличие металлических вставок на отверстиях для закрепления радиоэлементов.

4. Двухсторонний или односторонний рисунок.

5. Гибкое или жёсткое основание.

Платы нужны для всех устройств. Ниже представлены усредненная стоимость и производители на примере материнских плат для компьютера:

Нет смысла переплачивать за известный бренд, если собрать нужно простой электроприбор. Однако самая дешёвая плата быстро выйдет из строя и может привести к появлению возгорания. При выборе нужно проверять работоспособность электрических дорожек, целостность конструкции.

Материалы для изготовления плат

Существует несколько видов материалов, которые используют при изготовлении оснований для электроники:

1. Главная часть конструкции должна изготавливаться из диэлектрического материала. Это может быть стеклотекстолит, гетинакс.

2. Второй вариант изготовления плат — металлическое основание, на которое наносится диэлектрический слой. Чаще всего используется анодированный алюминий.

3. Для изготовления термоустойчивых оснований применяется фторопласт. Его дополнительно армируют стеклотканью. В состав добавляется керамика для повышения механических характеристик.

4. Чтобы сделать гибкую плитку, применяется каптон.

Материалы можно купить в любом магазине радиоэлектроники.

Изготовление печатной платы своими руками

Самостоятельно изготовить основание для электроприборов легко. Для этого нужно изучить теорию, подготовить расходные материалы, инструменты, выполнить определённый порядок действий. Для изготовления понадобятся:

1. Текстолит — должен иметь слой фольги. Может быть двухсторонним или односторонним. Изготовление фольгированного материала займёт много времени, лучше купить готовую плитку.

2. Утюг, промышленный фен с регулятором температур.

4. Ножницы по металлу.

5. Фотобумага с глянцевым покрытием.

7. Медицинский спирт.

8. Наждачная бумага мелкой фракции.

10.Сверлильный станок, бормашинка, гравер.

К дополнительным инструментам можно отнести паяльник, припой и флюс для монтажа электронных компонентов.

Этапы изготовления платы:

1. На листе текстолита отметить размеры будущей пластинки. Ножницами по металлу вырезать её.

2. Использую наждачную бумагу мелкой фракции, зашкурить стороны текстолита до появления блеска. Обработать торцы, чтобы избавиться от неровностей.

3. Намочить отрезок ткани спиртом, протереть пластинку. Работать нужно в резиновых перчатках, чтобы не пачкать жирными пальцами рабочие поверхности.

4. Заранее нарисовать на компьютере рисунок будущих токопроводящих дорожек. Просчитать соединительные узлы, места стыковки дополнительных компонентов, перемычки.

5. Получившийся рисунок проводников распечатать на фотобумагу.

6. Положить распечатку изображением вниз на текстолит. Подключить утюг к сети, подождать пока он разогреется. Медленными движениями разглаживать бумагу по твердой пластинке. Когда она начнёт желтеть, убрать утюг.

7. Отнести плату с припаянной бумагой к умывальнику. Опустить под струю воды. Зубной щёткой оттереть остатки бумаги.

8. Расположить пластинку под ярким светом чтобы она просохла.

9. Подготовка состава для травления. Понадобится хлорное железо, которое продаётся порошком в магазинах радиоэлектроники. Взять ёмкость из пластика, налить в неё три части воды, добавить одну часть хлорного железа. Тщательно перемешать раствор.

10.Сухую плату опустить в готовую смесь для травления. На скорость обработки платы влияет качество реактивов, температура состава, толщина фольгированного слоя. Для ускорения процесса жидкость можно разогреть. Однако слишком высокая температура повредит рисунок. Чтобы ускорить процесс безопасно, можно присоединить к ёмкости моторчик от телефона. Лёгкие вибрации воздействуют на травление.

11.После травления, плату нужно промыть под проточной водой. Протереть тряпочкой, смоченной в спирте.

12.Следующий процесс обработки — сверление. Для этого желательно использовать специальный станок, гравер или бормашинку. Инструмент закрепляется неподвижно с помощью тисков, чтобы можно было делать точные отверстия. По рисунку происходит сверление. После изготовления отверстий, по поверхности платы нужно пройти наждачной бумагой, удалив заусенцы.

13.Лужение основания. Плата смачивается медицинским спиртом. Его нужно нанести тряпкой лёгкими движениями без прижимов. Смочить другую тряпку в растворе для травления. Смазать стороны платы. Нагреть паяльником припой, быстрыми движениями нанести его на электрические каналы.

14.Наждачной бумагой с мелкой фракцией пройтись по сторонам плитки.

Лужение считается необязательным этапом при изготовления плат. Однако его делают из-за нескольких преимуществ:

1. Увеличивается показатель устойчивости к коррозии.

2. Толщина токопроводящего слоя увеличивается, благодаря чему снижается сопротивление, улучшается эффективность платы.

3. Проще припаивать радиодетали.

При соблюдении правил проведения работы сборка самодельной платы не покажется сложным процессом. Перед закреплением других деталей важно провести проверку токопроводящих рисунков.

Типичные ошибки при конструировании плат

При сборке самодельных оснований люди допускают различные ошибки. К наиболее часто встречаемым относятся:

1. Неправильно выбранная ширина токопроводящих дорожек. Это приводит к потере напряжения, перегреву проводников, низкой механической прочности. Чтобы не столкнуться с такими проблемами, необходимо делать максимально допустимую ширину токопроводящих дорожек.

2. Неправильное проектирование цепей питания. Приводит к снижению выходящего напряжения, большие пульсации на выходе, помехам

вместо постоянного напряжения. Решение проблемы — максимальная ширина дорожек, подающий конденсатор из керамики.

3. Проблемы заземления. Использование обычного проводника минимальной ширины. Приводит к нестабильности рабочего процесса, перегреву основания. Решение — использование отдельного слоя изоляции для разводки.

4. Небольшой зазор между медными проводниками, нанесёнными на плату. Приводит к нарушению целостности основания. Необходимо увеличить расстояние между проводниками, чтобы справиться с проблемой.

5. Большое количество соединительных отверстий на одной пластинке. Это приводит к увеличения токопроводящих дорожек, повышению сопротивления. Использовать максимум два отверстия на пластинках малого размера.

Существуют и другие проблемы. Однако они менее популярны и требуют вмешательства специалистов.

Печатные платы являются основанием электрических приборов, механизмов. На них напаиваются ключевые элементы, которые выполняют определённые функции. Собрать основание можно своими руками. Для этого нужно определиться с тем, где оно будет использоваться, нарисовать чертёж, подобрать рисунок, выполнить определённую последовательность действий.

Но печатные платы это лишь основа для изделий на нее припаиваются диоды или стабилитроны или транзисторы или другие элементы радиоэлектронных схем, о который вы можете прочесть на нашем сайте — ссылка на оглавление.

Как делают печатные платы: экскурсия на завод Технотех

Сегодня мы выступим в немного непривычном для себя амплуа, будем рассказывать не о гаджетах, а о технологиях, которые стоят за ними. Месяц назад мы были в Казани, где познакомились с ребятами из Навигатор-кампуса. Заодно побывали на расположенном близко (ну, относительно близко) заводе по производству печатных плат — Технотех. Этот пост — попытка разобраться в том, как же все-таки производят те самые печатные платы.

Итак, как же все-таки делают печатные платы для наших любимых гаджетов?

На заводе умеют делать платы от начала и до конца — проектирование платы по вашему ТЗ, изготовление стеклотекстолита, производство односторонних и двухсторонних печатных плат, производство многослойных печатных плат, маркировка, проверка, ручная и автоматическая сборка и пайка плат.
Для начала, я покажу, как делают двухсторонние платы. Их техпроцесс ничем не отличается от производства односторонних печатных плат, кроме того, что при изготовлении ОПП не производят операции на второй стороне.

О методах изготовления плат

Вообще, все методы изготовления печатных плат можно разделить на две большие категории: аддитивные(от латинского additio -прибавление) и субтрактивные (от латинского subtratio—отнимание). Примером субтрактивной технологии является всем известный ЛУТ(Лазерно-утюжная технология) и его вариации. В процессе создания печатной платы по этой технологии мы защищаем будущие дорожки на листе стеклотекстолита тонером от лазерного принтера, а затем стравливаем все ненужное в хлорном железе.
В аддитивных методах проводящие дорожки, наоборот, наносятся на поверхность диэлектрика тем или иным способом.
Полуаддитивные методы(иногда их еще называют комбинированными. ) — нечто среднее между классическими аддитивными и субтрактивными. В процессе производства ПП по этому методу часть проводящего покрытия может стравливаться(иногда почти сразу после нанесения), но как правило это происходит быстрее/проще/дешевле, чем в субтрактивных методах. В большинстве случаев, это следствие того, что большая часть толщины дорожек наращивается гальваникой или химическими методами, а слой, который подвергается травлению — тонкий, и служит лишь в качестве проводящего покрытия для гальванического осаждения.
Я покажу именно комбинированный метод.

Изготовление двухслойных печатных плат по комбинированному позитивному методу(полуаддитивный метод)

Изготовление стеклотекстолита

Процесс начинается с изготовления фольгированного стеклотекстолита. Стеклотекстолит — это материал, состоящий из тонких листов стекловолокна(они похожи на плотную блестящую ткань), пропитанных эпоксидной смолой и спрессованных стопкой в лист.
Сами полотна стекловолокна тоже не слишком просты — это плетеные(как обычная ткань в вашей рубашке) тонкие-тонкие нити обычного стекла. Они настолько тонкие, что могут легко гнуться в любых направлениях. Выглядит это примерно вот так:

Увидеть ориентацию волокон можно на многострадальной картинке из википедии:

В центре платы, светлые участки — это волокна идут перпендикулярно срезу, участки чуть темнее — параллельно.
Или например на микрофотографии tiberius, насколько я помню из этой статьи:

Итак, начнем.
Стекловолоконное полотно поступает на производство вот в таких бобинах:

Оно уже пропитано частично отвержденной эпоксидной смолой — такой материал называется препрегом, от английского pre-impregnated — предварительно пропитанный. Так как смола уже частично отверждена, она уже не такая липкая, как в жидком состоянии — листы можно брать руками, совсем не опасаясь испачкаться в смоле. Смола станет жидкой только при нагреве фольги, и то лишь на несколько минут, прежде чем застыть окончательно.
Нужное количество слоев вместе с медной фольгой собирается вот на этом аппарате:

А вот сам рулон фольги.

Далее полотно нарезается на части и поступает в пресс высотой в два человеческих роста:

На фото Владимир Потапенко, начальник производства.
Интересно реализована технология нагрева во время прессования: нагреваются не части пресса, а сама фольга. На обе стороны листа подается ток, который за счет сопротивления фольги нагревает лист будущего стеклотекстолита. Прессование происходит при сильно пониженном давлении, для исключения появления воздушных пузырей внутри текстолита

При прессовании, за счет нагрева и давления, смола размягчается, заполняет пустоты и после полимеризации получается единый лист.
Вот такой:

Он нарезается на заготовки для плат специальным станком:

Технотех использует два вида заготовок: 305х450 — маленькая групповая заготовка, 457х610 — большая заготовка
После этого к каждому комплекту заготовок распечатывается маршрутная карта, и путешествие начинается…

Маршрутная карта — это вот такая бумажка с перечнем операций, информацией о плате и штрих-кодом. Для контроля выполнения операций используется 1С 8, в которую внесена вся информация о заказах, о техпроцессе и так далее. После выполнения очередного этапа производства сканируется штрихкод на маршрутном листе и заносится в базу.

Сверловка заготовок

Первый этап производства однослойных и двухслойных печатных плат — сверление отверстий. С многослойными платами все сложнее, и я расскажу об этом позже. Заготовки с маршрутными листами поступают на участок сверловки:

Из заготовок собирается пакет для сверловки. Он состоит из подложки(материал типа фанеры), от одной до трех одинаковых заготовок печатных плат и алюминиевой фольги. Фольга нужна для определения касания сверла поверхности заготовки — так станок определяет поломку сверла. Еще при каждом захвате сверла он контролирует его длину и заточку лазером.

После сборки пакета он закладывается вот в этот станок:

Он такой длинный, что мне пришлось сшивать эту фотку из нескольких кадров. Это швейцарский станок фирмы Posalux, точной модели, к сожалению не знаю. По характеристикам он близок вот к этому. Он ест трехразовое трехфазное питание напряжением 400В, и потребляет при работе 20 КВт. Вес станка около 8 тонн. Он может одновременно обрабатывать четыре пакета по разным программам, что в сумме дает 12 плат за цикл(естественно, что все заготовки в одном пакете будут просверлены одинаково). Цикл сверления — от 5 минут до нескольких часов, в зависимости от сложности и количества отверстий. Среднее время — около 20 минут. Всего таких станков у технотеха три штуки.

Программа разрабатывается отдельно, и подгружается по сети. Все что надо сделать оператору — отсканировать штрихкод партии и заложить пакет из заготовок внутрь. Емкость инструментального магазина: 6000 сверл или фрез.

Рядом стоит большой шкаф со сверлами, но оператору нет необходимости контролировать заточку каждого сверла и менять его — станок все время знает степень износа сверл — записывает себе в память сколько отверстий было просверлено каждым сверлом. При исчерпании ресурса сам меняет сверло на новое, старые сверла останется выгрузить из контейнера и отправить на повторную заточку.

Вот так выглядят внутренности станка:

После сверловки в маршрутном листе и базе делается отметка, а плата отправляется по этапу на следующий этап.

Очистка, активация заготовок и химическое меднение.

Хоть станок и пользуется своими «пылесосом» во время и после сверловки, поверхность платы и отверстий все равно надо очистить от загрязнений и подготовить к следующей технологической операции. Для начала, плата просто очищается в моющем растворе механическими абразивами

Надписи, слева направо: «Камера зачистки щетками верх/низ», «Камера промывки», «Нейтральная зона».
Плата становится чистой и блестящей:

После этого в похожей установке проводится процесс активации поверхности. Для каждой поверхности вводится серийный номер Активация поверхности — это подготовка к осаждению меди на внутреннюю поверхность отверстий для создания переходных отверстий между слоями платы. Медь не может осесть на неподготовленную поверхность, поэтому плату обрабатывают специальными катализаторами на основе палладия. Палладий, в отличии от меди, легко осаждается на любую поверхность, и в дальнейшем служит центрами кристаллизации для меди. Установка активации:

После этого, последовательно проходя несколько ванн в еще одной похожей установке заготовка обзаводится тонким(меньше микрона) слоем меди в отверстиях.

Дальше этот слой гальваникой наращивается до 3-5 микрон — это улучшает стойкость слоя к окислению и повреждениям.

Нанесение и экспонирование фоторезиста, удаление незасвеченных участков.

Дальше плата отправляется в участок нанесения фоторезиста. Нас туда не пустили, потому что он закрыт, и вообще, там чистая комната, поэтому ограничимся фотографиями через стекло. Нечто подобное я видел в Half-Life(я про трубы, спускающиеся с потолка):

Собственно вот зеленая пленка на барабане — это и есть фоторезист.

Далее, слева направо(на первой фотографии): две установки нанесения фоторезиста, дальше автоматическая и ручная рамы для засветки по заранее подготовленным фотошаблонам. В автоматической раме присутствует контроль, который учитывает допуск по совмещению с реперными точками и отверстиями. В ручной рамке маска и плата совмещаются руками. На этих же рамах экспонируется шелкография и паяльная маска. Дальше — установка проявки и отмывки плат, но так как мы туда не попали, фотографий этой части у меня нет. Но там ничего интересного — примерно такой же конвейер как в «активации», где заготовка проходит последовательно несколько ванн с разными растворами.
А на переднем плане — огромный принтер, который эти самые фотошаблоны печатает:

Вот плата с нанесенным, экспонированным и проявленным:

Обратите внимание, фоторезист нанесен на места, на которых в дальнейшем не будет меди — маска негативная, а не позитивная, как в в ЛУТ-е или домашнем фоторезисте. Это потому, что в дальнейшем наращивание будет происходить в местах будущих дорожек.

Это тоже позитивная маска:

Все эти операции происходят при неактиничном освещении, спектр которого подобран таким образом, чтобы одновременно не оказывать влияния на фоторезист и давать максимальную освещенность для работы человека в данном помещении.
Люблю объявления, смысл которых я не понимаю:

Гальваническая металлизация

Теперь настал через ее величества — гальванической металлизации. На самом деле, ее уже проводили на прошлом этапе, когда наращивали тонкий слой химической меди. Но теперь слой будет наращён еще больше — с 3 микрон до 25. Это уже тот слой, который проводит основной ток в переходных отверстиях. Делается это вот в таких ваннах:

В которых циркулируют сложные составы электролитов:

А специальный робот, повинуясь заложенной программе, таскает платы из одной ванны в другую:

Один цикл меднения занимает 1 час 40 минут. В одной паллете могут обрабатываться 4 заготовки, но в ванне таких паллет может быть несколько.

Осаждение металлорезиста

Следующая операция представляет собой еще одну гальваническую металлизацию, только теперь осаждаемый материал не медь, а ПОС — припой свинец-олово. А само покрытие, по аналогии с фоторезистом называется металлорезистом. Платы устанавливаются в раму:

Эта рама проходит несколько уже знакомых нам гальванических ванн:

И покрывается белым слоем ПОС-а. На заднем плане видна другая плата, еще не обработанная:

Удаление фоторезиста, травление меди, удаление металлорезиста

Теперь с плат смывается фоторезист, он выполнил свою функцию. Теперь на все еще медной плате остались дорожки, покрытые металлорезистом. На этой установке происходит травление в хитром растворе, который травит медь, но не трогает металлорезист. Насколько я запомнил, он состоит из углекислого аммония, хлористого аммония и гидрооксида аммония. После травления платы выглядят вот так:

Дорожки на плате — это «бутерброд» из нижнего слоя меди и верхнего слоя гальванического ПОС-а. Теперь, другим еще более хитрым раствором проводится другая операция — слой ПОС-а убирается, не затрагивая слой меди.

Правда, иногда ПОС не убирается, а оплавляется в специальных печах. Или плата проходит горячее лужение(HASL-процесс) — когда она опускается в большую ванну с припоем. Сначала она покрывается канифольным флюсом:

И устанавливается вот в такой автомат:

Он опускает плату в ванну с припоем и тут же вытаскивает ее обратно. Потоки воздуха сдувают лишний припой, оставляя лишь тонкий слой на плате. Плата получается вот такая:

Но на самом деле метод немного «варварский» и не очень действует на платы, особенно многослойные — при погружении в расплав припоя плата переносит температурный шок, что не очень хорошо действует на внутренние элементы многослойных плат и тонкие дорожки одно- и двухслойных.
Гораздо лучше покрывать иммерсионным золотом или серебром. Вот тут очень хорошая информация о иммерсионных покрытиях, если кому интересно.
Мы не побывали на участке иммерсионных покрытий, по банальной причине — он был закрыт, а за ключом было идти лень. А жаль.

Электротест

Дальше почти готовые платы отправляются на визуальный контроль и электротест. Электротест — это когда проверяются соединения всех контактных площадок между собой, нет ли где обрывов. Выглядит это очень забавно — станок держит плату и быстро-быстро тыкает в нее щупами. Видео этого процесса можно посмотреть у меня в инстаграме(кстати, подписаться можно там же). А в виде фото это выглядит вот так:

Та большая машина слева — и есть электротест. А вот и сами щупы ближе:

На видео, правда, была другая машинка — с 4 щупами, а тут их 16. Говорят, гораздо быстрее всех трех старых машинок с четырьмя щупами вместе взятых.

Нанесение паяльной маски и покрытие контактных площадок

Следующий технологический процесс — нанесение паяльной маски. То самое зеленое(ну, чаще всего зеленое. А вообще оно бывает очень разных цветов) покрытие, которое мы видим на поверхности плат. Подготовленные платы:

Закладываются вот в такой автомат:

Который через тонкую сеточку размазывает полужидкую маску по поверхности платы:

Видео нанесения, кстати, тоже можно посмотреть в инстаграме(и подписаться тоже:)
После этого, платы сушатся, пока маска перестанет липнуть, и экспонируются в той же желтой комнате, что мы видели выше. После этого, неэкспонированная маска смывается, обнажая контактные пятачки:

Потом их покрывают финишным покрытием — горячим лужением или иммерсионным нанесением:

И наносят маркировку — шелкографию. Это белые(чаще всего) буковки, которые показывают, где какой разъем и какой элемент тут стоит.
Она может наносится по двум технологиям. В первом случае все происходит так же, как и с паяльной маской, отличается лишь цвет состава. Она закрывает всю поверхность платы, потом экспонируется, и неотвержденные ультрафиолетом участки смываются. Во втором случает ее наносит специальный принтер, печатающий хитрым эпоксидным составом:

Это и дешевле, и гораздо быстрее. Военные, кстати, не жалуют этот принтер, и постоянно указывают в требованиях к своим платам, что маркировка наносится только фотополимером, что очень огорчает главного технолога.

Изготовление многослойных печатных плат по методу металлизации сквозных отверстий:

Все, что я описал выше — касается только односторонних и двухсторонних печатных плат(на заводе их, кстати, никто так не называет, все говорят ОПП и ДПП). Многослойные платы(МПП) делаются на этом же оборудовании, но немного по другой технологии.

Изготовление ядер

Ядро — это внутренний слой тонкого текстолита с медными проводниками на нем. Таких ядер в плате может быть от 1(плюс две стороны — трехслойная плата) до 20. Одно из ядер называется золотым — это означает, что оно используется в качестве реперного — того слоя, по которому выставляются все остальные. Ядра выглядят вот так:

Изготавливаются они точно так же, как и обычные платы, только толщина стеклотекстолита очень мала — обычно 0,5мм. Лист получается такой тонкий, то его можно изгибать, как плотную бумагу. На его поверхность наносится медная фольга, и дальше происходят все обычные стадии — нанесение, экспонирование фоторезиста и травление. Итогом этого являются вот такие листы:

После изготовления дорожки проверяются на целостность на станке, который сравнивает рисунок платы на просвет с фотошаблоном. Кроме этого, существует еще и визуальный контроль. Причем реально визуальный — сидят люди и смотрят в заготовки:

Иногда какая-то из стадий контроля выносит вердикт о плохом качестве одной из заготовок(черные крестики):

Этот лист плат, в которой случился дефект все равно изготовится полностью, но после нарезки бракованная плата пойдет в мусор. После того, как все слои изготовлены и проверены, наступает черед следующей технологической операции.

Сборка ядер в пакет и прессование

Это происходит в зале под названием «Участок прессования»:

Ядра для платы выкладываются вот в такую стопочку:

А рядом кладется карта расположения слоев:

После чего в дело вступает полуавтоматическая машина прессования плат. Полуавтоматичность ее заключается в том, что оператор должен по ее команде подавать ей ядра в определенном порядке.

Перекладывая их для изоляции и склеивания листами препрега:

А дальше начинается магия. Автомат захватывает и переносит листы в рабочее поле:

А затем совмещает их по реперным отверстиям относительно золотого слоя.

Дальше заготовка поступает в горячий пресс, а после прогрева и полимеризации слоев — в холодный. После этого мы получаем такой же лист стеклотекстолита, который ничем не отличается от заготовок для двухслойных печатных плат. Но внутри у него доброе сердце несколько ядер со сформированными дорожками, которые, правда, еще никак не связаны между собой и разделены изолирующими слоями полимеризированного препрега. Дальше процесс проходит те же стадии, что я уже описывал ранее. Правда, за небольшим различием.

Сверловка заготовок

При сборке пакета ОПП и ДПП для сверловки его не нужно центровать, и его можно собирать с некоторым допуском — все равно это первая технологическая операция, и все остальные будут ориентироваться на нее. А вот при сборке пакета многослойных печатных плат очень важно привязаться к внутренним слоям — при сверловке отверстие должно пройти насквозь все внутренние контакты ядер, соединив их в экстазе при металлизации. Поэтому пакет собирается вот на такой машинке:

Это рентгеновский сверлильный станок, который видит сквозь текстолит внутренние металлически реперные метки и по их расположению сверлит базовые отверстия, в которые вставляются крепежи для установки пакета в сверлильный станок.

Металлизация

Дальше все просто — заготовки сверлятся, очищаются, активируются и металлизируются. Металлизация отверстия связывает между собой все медные пяточки внутри печатной платы:

Таким образом, завершая электронную схему внутренностей печатной платы.

Проверка и шлифы

Дальше от каждой платы отрезается кусочек, который шлифуется и рассматривается в микроскоп, для того, чтобы удостовериться, что все отверстия получились нормально.

Эти кусочки называются шлифы — поперечно срезанные части печатной платы, которые позволяет оценить качество платы в целом и толщину медного слоя в центральных слоях и переходных отверстиях. В данном случае, под шлиф пускают не отдельную плату, а специально сделанные с краю платы весь набор диаметров переходных отверстий, которые используются в заказе. Шлиф, залитый в прозрачный пластик выглядит вот так:

Фрезеровка или скрайбирование

Далее платы, которые находятся на групповой заготовке необходимо разделить на несколько частей. Делается это либо на фрезерном станке:

Который фрезой вырезает нужный контур. Другой вариант — скрайбирование, это когда контур платы не вырезается, а надрезается круглым ножом. Это быстрее и дешевле, но позволяет делать только прямоугольные платы, без сложных контуров и внутренних вырезов. Вот скрайбированная плата:

А вот фрезерованная:

Если заказывалось только изготовление плат, то на этом все заканчивается — платы складывают в стопочку:

Оборачивается все тем же маршрутным листом:

И ждет отправки.
А если нужна сборка и запайка, то впереди есть еще кое-что интересное.

Сборка

Дальше плата, если это необходимо поступает на участок сборки, где на нее напаиваются нужные компоненты. Если мы говорим о ручной сборке — то все понятно, сидят люди(кстати, в большинстве своем женщины, когда я к ним зашел, у меня уши в трубочку свернулись от песни из магнитофона «Боже, какой мужчина»):

И собирают, собирают:

А вот если говорить о автоматической сборке, то там все гораздо интереснее. Происходит это вот на такой длинной 10-метровой установке, которая делает все — от нанесения паяльной пасты до пайки по термопрофилям.

Кстати, все серьёзно. Там заземлены даже коврики:

Как я говорил, начинается все с того, что на неразрезанный лист с печатными платами устанавливают вместе с металлическим шаблоном в начало станка. На шаблон густо намазывается паяльная паста, и ракельный нож проходя сверху оставляет точно отмерянные количества пасты в углублениях шаблона.

Шаблон поднимается, и паяльная паста оказывается в нужных местах на плате. Кассеты с компонентами устанавливаются в отсеки:

Каждый компонент заводится в соответствующую ему кассету:

Компьютеру, управляющему станком, говорится где какой компонент находится:

И он начинает расставлять компоненты на плате.

Выглядит это вот так(видео не мое). Можно смотреть вечно:

Аппарат установки компонентов называется Yamaha YS100 и способен устанавливать 25000 компонентов в час(на один тратится 0.14 секунды).
Дальше плата проходит горячую и холодные зоны печки(холодная — это значит «всего» 140°С, по сравнению с 300°С в горячей части). Побыв строго определенное время в каждой зоне со строго определенной температурой, паяльная паста плавится, образуя одно целое с ножками элементов и печатной платой:

Запаянный лист плат выглядит вот так:

Все. Плата разрезается, если нужно и упаковывается, чтобы вскоре уехать к заказчику:

Примеры

Напоследок, примеры того, что технотех может делать. Например, конструирование и изготовление многослойных плат(до 20 слоев), включая платы для BGA компонентов и HDI платы:

C со всеми «номерными» военными приемками(да, на каждой плате вручную ставится номер и дата изготовления — этого требуют военные):

Проектирование, изготовления и сборка плат практически любой сложности, из своих или из компонентов заказчика:

И ВЧ, СВЧ, платы с металлизированным торцом и металлическим основанием(фотографий этого я не сделал, к сожалению).
Конечно, они не конкурент резониту в плане быстрых прототипов плат, но если у вас от 5 штук, рекомендую запросить у них стоимость изготовления — они очень хотят работать с гражданскими заказами.

И все-таки, в России производство еще есть. Что бы там не говорили.

Напоследок можно отдышаться, поднять глаза на потолок и попытаться разобраться в хитросплетениях труб: