Изготовление печатных плат

Печатная плата — это пластина или панель из диэлектрического материала, на которой выполнены электропроводящие цепи в соответствии с принципиальной электрической схемой и которая предназначена для крепления на ней и соединения между собой пассивных и активных электронных компонентов и электротехнических изделий. Компоненты на печатной плате закрепляются к ней при помощи пайки.

Применение печатных плат

Печатные платы используются во всех сферах промышленности, во всех электронных устройствах: бытовой технике, промышленном оборудовании, коммуникационной, теле- и радиоаппаратуре, автомобильной технике, в самолетах, поездках, кораблях и космических аппаратах.

С появлением печатных плат во много раз увеличилась точность и долговечность работы электронных устройств и их компонентов. Технология изготовления печатных плат постоянно развивается и способствует уменьшению размеров устройств из-за увеличения количества размещаемых компонентов на плате и повышения сложности и многослойности печатных плат.

При использовании гибких печатных плат существенно снижается размер и вес устройств, появляется статическая и динамическая гибкость, уменьшается стоимость изготовления конечного изделия и улучшается их эффективность, упрощается разработка электроники.

На данный момент гибкие печатные платы применяют в:

• устройствах проводной и беспроводной связи;
• измерительных прибора различной сложности и точности;
• в автоматических системах управления;
• приборах обработки сигналов;
• устройствах записи, обработки или воспроизведения мультимедийных данных.

Классификация изготавливаемых изделий

В зависимости от свойств диэлектрика:

• изделия, выполненные из жесткого материала;
• изделия из гибкого материала.

В зависимости от количества слоев платы печатные бывают:

• однослойные (ОПП): платы, которые имеют исключительно один слой электропроводящей фольги, наклеенной на одну сторону диэлектрической пластины;
• двухслойные (ДПП): платы, у которых на обеих сторонах диэлектрического материала сформирована электропроводящая схема;
• многослойные (МПП): платы, имеющие не только два внешних слоя токопроводящего материала, но и несколько слоев внутри диэлектрической пластины. Такие платы являются высокотехнологичными изделиями, в которых внешние слои служат для закрепления на них и соединения между собой по схеме электронных компонентов, а внутренние — для устройства полигонов питания и межслойных соединений.

По технологическим особенностям:

• платы, выполненные на алюминиевых подложках;
• выполненные под SMD монтаж;
• МП платы со скрытыми и глухими отверстиями;
• высокочастотные платы;
• печатные платы-трансформаторы.

Из чего изготавливают платы

Основным материалом для изготовления печатных плат являются диэлектрики. Наиболее распространённый материал — стеклотекстолит. На сегодня существуют такие материалы, как: Taconic, FR4 HighTg, FR4, FR5, CEM1, Arlon, CEM3, Rogers, ФЛАН, ФАФ, Pl (полиимид) и другие.

Для покрытия диэлектрических площадок применяется:

1. бессвинцовое нанесение (Lead-free HAL);
2. горячее нанесение (HAL);
3. нанесение иммерсионных материалов (олово, золото, серебро).

В некоторых случаях платы изготавливают из анодированного алюминия с нанесением на него слоя диэлектрика с последующим выполнением дорожек из меди. Так же для печатных плат, работающих в высокочастотных и высокотемпературных режимах используют фторопласт и керамику для их изготовления, что повышает их устойчивость и надежность. Гибкие платы изготавливают из полиимидных материалов.

Проектирование плат

Составление проекта печатных плат для различных устройств происходит в специальных конструкторских программах, таких как KiCad, gEDA, TopoR, Specctra, P-CAD, OrCAD и других. Само проектирование подразумевает под собой конструирование схемы нанесения проводников и расположения компонентов на плате.

При конструировании учитываются имеющиеся у изготовителя материалы и технологические возможности, которые существенно влияют на качество и сложность изготовления печатных плат.

Составление схемы для печатных плат делится на следующие технологические этапы:

1. Выбор гибкости и класса точности для изготовления изделия;
2. Определение конструктивных особенностей печатной платы (габариты, монтажные отверстия, высотный габарит компонентов и прочее);
3. Разметка и привязка компонентов на печатной плате;
4. Выполнение трассировки (оформление дорожек);
5. Контроль платы на наличие ошибок;
6. Создание и оформление проектной документации.

Изготовление печатных плат

Изготовление печатных плат происходит двумя методами: субтрактивным и аддитивным. Субтрактивный метод подразумевает формирование проводящего рисунка путём исключения ненужных участков фольги. Аддитивный метод выполняется с помощью химического меднения по нанесенной на диэлектрический материал специального состава (маски).

Технические требования к изготовленным печатным платам в Российской Федерации регламентируется следующими стандартами:

• государственный стандарт ГОСТ 23752-79;
• государственный стандарт ГОСТ Р 53429-2009. Этот документ является измененным российским стандартом ГОСТ 23751-86.

Нанесение схемы проводников

Для нанесения схемы проводников используют такие методы, как:

1. Химический метод. Заключается в нанесении на медный фольгированный материал специального слоя (защитного) и удаление с заготовки участков, которые не защищены. После удаления лишней фольги с оставшихся на плате участков, защитный слой смывается.
2. Механический метод. Предусматривает механическое удаление лишнего фольгированного материала с помощью различных инструментов (фрезерно-гравировальных станков и пр.)
3. Лазерный метод. Удаление фольги при таком методе производится с помощью высокотехнологичных лазеров. С развитием современной техники такой способ начал приобретать все больший оборот и эффективно используется при изготовлении плат.

Изготовление отверстий и металлизация

Отверстия (монтажные или переходные) сверлятся или прожигаются с помощью лазера. Возможно изготовление глухих или скрытых переходных отверстий для увеличения эффективности проектов. Металлизация отверстий происходит химическим способом (осадок меди). Этот процесс имеет много стадий, требует специализированных условий для выполнения.

Изготовление многослойных печатных плат

При производстве печатных плат, имеющих много слоев, требуется прессование. Многослойные печатные платы собираются в стопки из нескольких однослойных (или двухслойных) плат со специальными прокладками между ними. Возможно производство печатных плат до 40 слоев с толщиной до 6 мм. Кроме попарного прессования возможно использование структур HDI. Далее их помещают в специальную печь, прессуют и сверлят необходимые отверстия.

Нанесение специальных покрытий

После подготовки и изготовления печатной платы наносятся специальное защитное покрытие — паяльная маска, плата маркируется с помощью лазерного или шелкографического способа. Также при необходимости производят лужение проводников для защиты поверхности меди и облегчения последующего монтажа компонентов в отверстия, в том числе глухие и скрытые, если необходимо, наносят специальные маски, компаунд или медь.

Монтаж компонентов на плату

Главным методом монтажа электронных компонентов на печатные платы является припайка. Монтаж smd выполняется ручным способом с помощью ручного паяльника или автоматизированным способом групповой пайки электронных компонентов.

Проверка качества и контроль работоспособности платы

После производства электронной печатной платы и установки всех компонентов выполняется проверка качества автоматическими методами для контроля правильности нанесенных дорожек и смонтированных компонентов, а также на отсутствие разрывов электропередающих линий и коротких замыканий. Оптический метод контроля качества выполненных печатных плат происходит с помощью камер высокого разрешения для выявления замыканий, лишнего или избыточного припоя, искажение формы плат или смещения компонентов после изготовления платы. Так же производится обязательный контроль импеданса печатных плат и электроконтроль.