Печатная плата

<час />

Фон

Печатная плата, или PCB, представляет собой автономный модуль взаимосвязанных электронных компонентов, встречающихся в различных устройствах, начиная от обычных звуковых сигналов, или пейджеры, и радиоприемники, и сложные радиолокационные и компьютерные системы. Цепи образованы тонким слоем проводящего материала, нанесенным или «напечатанным» на поверхности изолирующей платы, известной как подложка. Отдельные электронные компоненты размещаются на поверхности подложки и припаиваются к соединительным цепям. Контактные пальцы вдоль одного или нескольких краев подложки действуют как соединители для других печатных плат или внешних электрических устройств, таких как двухпозиционные переключатели. Печатная плата может иметь схемы, которые выполняют одну функцию, например усилитель сигнала, или несколько функций.

Существует три основных типа конструкции печатных плат:односторонняя, двусторонняя и многослойная. На односторонних платах компоненты расположены на одной стороне подложки. Когда количество компонентов становится слишком большим для односторонней платы, можно использовать двустороннюю плату. Электрические соединения между цепями на каждой стороне выполняются путем просверливания отверстий в подложке в соответствующих местах и ​​покрытия внутренней части отверстий проводящим материалом. Третий тип, многослойная плата, имеет подложку, состоящую из слоев печатных схем, разделенных слоями изоляции. Компоненты на поверхности соединяются через отверстия, просверленные до соответствующего слоя схемы. Это значительно упрощает схему схемы.

Компоненты на печатной плате электрически подключаются к схемам двумя разными способами:более старой «технологией сквозных отверстий» и новой «технологией поверхностного монтажа». При использовании технологии сквозных отверстий каждый компонент имеет тонкие провода или выводы, которые проталкиваются через небольшие отверстия в подложке и припаиваются к контактным площадкам в схемах на противоположной стороне. Гравитация и трение между выводами и сторонами отверстий удерживают компоненты на месте до тех пор, пока они не будут спаяны. Благодаря технологии поверхностного монтажа короткие J-образные или L-образные ножки на каждом компоненте напрямую контактируют с печатными схемами. Паяльная паста, состоящая из клея, флюса и припоя, наносится в точке контакта, чтобы удерживать компоненты на месте, пока припой не расплавится или «оплавится» в печи для окончательного соединения. Хотя технология поверхностного монтажа требует большей осторожности при размещении компонентов, она устраняет трудоемкий процесс сверления и занимающие место контактные площадки, присущие технологии сквозных отверстий. Обе технологии используются сегодня.

К печатной плате относятся два других типа схемных сборок. интегральная схема, иногда называемая ИС или микрочипом, выполняет функции, аналогичные печатной плате, за исключением того, что ИС содержит гораздо больше схем и компонентов, которые электрохимически «выращены» на поверхности очень маленького кремниевого кристалла. Гибридная схема, как следует из названия, выглядит как печатная плата, но содержит некоторые компоненты, которые выращиваются на поверхности подложки, а не помещаются на поверхность и припаяны.

История

Печатные платы произошли от систем электрических соединений, которые были разработаны в 1850-х годах. Металлические полоски или стержни изначально использовались для соединения крупных электрических компонентов, установленных на деревянных основаниях. Со временем металлические полосы были заменены проводами, соединенными с винтовыми клеммами, а деревянные основания были заменены металлическими шасси. Но требовались меньшие и более компактные конструкции из-за возросших эксплуатационных потребностей продуктов, в которых использовались печатные платы. В 1925 году Чарльз Дукас из США подал заявку на патент на метод создания электрического пути непосредственно на изолированной поверхности путем печати через трафарет электропроводящими чернилами. Этот метод породил название «печатная проводка» или «печатная схема».

В 1943 году Пол Эйслер из Соединенного Королевства запатентовал метод травления проводящего рисунка или цепей на слое медной фольги, прикрепленной к армированной стекловолокном непроводящей основе. Широкого распространения метод Эйслера не получил до 1950-х годов, когда транзистор был введен в коммерческое использование. До этого момента размеры электронных ламп и других компонентов были настолько большими, что все, что требовалось, - это традиционные методы монтажа и подключения. Однако с появлением транзисторов компоненты стали очень маленькими, и производители обратились к печатным платам, чтобы уменьшить общий размер электронного блока.

Технология сквозных отверстий и ее использование в многослойных печатных платах была запатентована американской фирмой Hazeltyne в 1961 году. Возникшее в результате увеличение плотности компонентов и близкорасположенные электрические пути положили начало новой эре в дизайне печатных плат. Интегральные микросхемы были представлены в 1970-х годах, и эти компоненты были быстро включены в технологии проектирования и производства печатных плат.

Дизайн

Стандартной печатной платы не существует. Каждая плата имеет уникальную функцию для определенного продукта и должна быть спроектирована так, чтобы выполнять эту функцию в отведенном для этого месте. Разработчики плат используют системы автоматизированного проектирования со специальным программным обеспечением для размещения схемы на плате. Промежутки между электрическими проводящими путями часто составляют 0,04 дюйма (1,0 мм) или меньше. Также указывается расположение отверстий для выводов компонентов или точек контакта, и эта информация переводится в инструкции для сверлильного станка с числовым программным управлением или для автоматической пасты для пайки, используемой в производственном процессе.

После того, как шаблон схемы выложен, негативное изображение или маска распечатывается в точном размере на прозрачном пластиковом листе. На негативном изображении области, которые не являются частью схемы, показаны черным, а схема схемы - прозрачной.

Сырье

Основа, наиболее часто используемая в печатных платах, - это армированный стекловолокном (стекловолокно) . эпоксидная смола с медной фольгой, приклеенной с одной или двух сторон. Печатные платы, изготовленные из фенольной смолы, армированной бумагой, со связанной медной фольгой, менее дороги и часто используются в бытовых электрических устройствах.

Печатные схемы изготовлены из меди, которая либо покрывается металлическим покрытием, либо протравливается на поверхности подложки, чтобы оставить желаемый узор. (См. «Аддитивный» и «вычитающий» процессы, описанные в шаге 3 в разделе «Производственный процесс»). Медные цепи покрыты слоем свинца-олова для предотвращения окисления. Контактные пальцы покрыты свинцово-оловянным покрытием, затем никелем и, наконец, золотом для обеспечения превосходной проводимости.

К приобретаемым компонентам относятся резисторы, конденсаторы, транзисторы, диоды, микросхемы интегральных схем и другие.

Производственный
процесс

Обработка и сборка печатных плат выполняются в исключительно чистой среде, где воздух и компоненты не загрязняются. Большинство производителей электроники используют свои собственные процессы, но для изготовления двусторонней печатной платы обычно используются следующие шаги.

Изготовление подложки

• 1 Стекловолокно разматывается с рулона и пропускается через технологическую станцию. На иллюстрациях выше показан увеличенный участок печатной платы. где он пропитан эпоксидной смолой окунанием или распылением. Затем пропитанное стекловолокно проходит через ролики, которые раскатывают материал до желаемой толщины для готовой подложки, а также удаляют излишки смолы.
• 2 Материал подложки проходит через печь, где он закрепляется. После духовки материал разрезают на большие панели.
• 3 Панели уложены слоями, чередующимися слоями из медной фольги с клейкой основой. Пакеты помещаются в пресс, где они подвергаются воздействию температуры около 340 ° F (170 ° C) и давления 1500 фунтов на квадратный дюйм в течение часа или более. Это полностью отверждает смолу и плотно связывает медную фольгу с поверхностью материала подложки.

Сверление и металлизация отверстий

• 4 Несколько панелей подложки, каждая из которых достаточно велика, чтобы образовать несколько печатных плат, уложены друг на друга и скреплены булавками, чтобы они не двигались. Сложенные панели помещаются в станок с ЧПУ, и отверстия просверливаются в соответствии с шаблоном, определенным при раскладке досок. Отверстия очищаются от заусенцев, чтобы удалить излишки материала, приставшие к краям отверстий.
• 5. Внутренние поверхности отверстий, предназначенные для обеспечения проводящей цепи от одной стороны платы к другой, покрыты медью. Непроводящие отверстия заглушены, чтобы они не покрывались металлическими покрытиями. или просверливаются после того, как отдельные доски вырезаны из большей панели.

Создание рисунка печатной схемы на подложке

Рисунок печатной схемы может быть создан с помощью «аддитивного» процесса или «вычитающего» процесса. В аддитивном процессе медь наносится или добавляется на поверхность подложки по желаемому рисунку, оставляя остальную поверхность без покрытия. В процессе вычитания сначала покрывается вся поверхность подложки, а затем участки, которые не являются частью желаемого рисунка, вытравливаются или вычитаются. Опишем аддитивный процесс.

• 6 Фольгированная поверхность подложки обезжиривается. Панели проходят через вакуумную камеру, в которой слой позитивного фоторезиста плотно прижимается ко всей поверхности фольги. Материал позитивного фоторезиста - это полимер, который имеет свойство становиться более растворимым при воздействии ультрафиолетового света. Вакуум обеспечивает отсутствие пузырьков воздуха между фольгой и фоторезистом. Маска с печатным рисунком укладывается поверх фоторезиста, и панели подвергаются воздействию интенсивного ультрафиолетового света. Поскольку маска прозрачна в областях рисунка печатной схемы, фоторезист в этих областях облучается и становится очень растворимым.
• 7 Маска удаляется, и на поверхность панелей наносится щелочной проявитель, растворяющий облученный фоторезист в областях рисунка печатной схемы, оставляя медную фольгу открытой на поверхности подложки.
• 8 Затем на панели наносят гальваническое покрытие медью. Фольга на поверхности подложки действует как катод в этом процессе, а медь покрывается металлическими покрытиями на открытых участках фольги до толщины примерно 0,001-0,002 дюйма (0,025-0,050 мм). Области, все еще покрытые фоторезистом, не могут действовать как катод и не покрываются гальваническим покрытием. Поверх медного покрытия нанесено оловянное или другое защитное покрытие для предотвращения окисления меди и в качестве резиста на следующем этапе производства.
• 9 Фоторезист снимается с плат с помощью растворителя, чтобы обнажить медную фольгу подложки между нанесенным на печатную плату рисунком. На платы опрыскивают кислотным раствором, разъедающим медную фольгу. Медное покрытие рисунка печатной схемы защищено оловянно-свинцовым покрытием и не подвержено воздействию кислоты.

Присоединение контактных пальцев

• 10 Контактные пальцы прикрепляются к краю подложки для соединения с печатной схемой. Контактные пальцы замаскированы от остальной части платы, а затем покрыты гальваническим покрытием. Покрытие выполняется тремя металлами:сначала олово-свинец, затем никель, затем золото.

Расплавление оловянно-свинцового покрытия

• 11 оловянно-свинцовое покрытие на поверхности медного рисунка печатной схемы очень пористое и легко окисляется. Чтобы защитить его, панели пропускают через печь для оплавления или ванну с горячим маслом, в результате чего оловянный свинец плавится или оплавляется до блестящей поверхности.

Запечатывание, нанесение трафарета и резка панелей

• 12 Каждая панель залита эпоксидной смолой для защиты цепей от повреждений при установке компонентов. Инструкции и другая маркировка нанесена на доски по трафарету.
• 13 Затем панели разрезают на отдельные доски и заглаживают края.

Монтаж компонентов

• 14 Отдельные платы проходят через несколько машин, которые помещают электронные компоненты в соответствующие места в цепи. Если для монтажа компонентов будет использоваться технология поверхностного монтажа, платы сначала проходят через автоматическую паяльную пасту, которая наносит каплю паяльной пасты на каждую точку контакта компонента. Очень маленькие компоненты могут быть размещены с помощью "чип-шутера", который быстро помещает или снимает компоненты на плате. Более крупные компоненты могут быть размещены с помощью роботов. Некоторые компоненты могут быть слишком большими или нестандартными для установки с помощью роботов, и их необходимо установить вручную и припаять позже.
• 15 Затем компоненты припаиваются к схемам. При использовании технологии поверхностного монтажа пайка осуществляется путем пропускания плат через другой процесс оплавления, в результате чего паяльная паста плавится и обеспечивает соединение.
• 16 Остатки флюса от припоя очищаются водой или растворителями в зависимости от типа используемого припоя.

Упаковка

• 17 Если печатные платы не будут использоваться немедленно, они индивидуально упакованы в защитные пластиковые пакеты для хранения или транспортировки.

Контроль качества

На протяжении всего производственного процесса проводятся визуальные и электрические проверки для выявления дефектов. Некоторые из этих недостатков создаются автоматизированными машинами. Например, компоненты иногда неуместны на плате или сдвинуты перед окончательной пайкой. Другие недостатки вызваны нанесением слишком большого количества паяльной пасты, из-за чего излишек припоя может стекать или перекрывать два смежных пути печатной схемы. Слишком быстрый нагрев припоя в процессе окончательного оплавления может вызвать эффект «надгробия», когда один конец компонента поднимается над платой и не соприкасается с ним.

Готовые платы также проверяются на функциональные характеристики, чтобы убедиться, что их производительность находится в желаемых пределах. Некоторые доски подвергаются экологическим испытаниям, чтобы определить их характеристики при экстремальных температурах, влажности, вибрации и ударах.

Токсичные материалы и
Меры безопасности

Припой, используемый для электрических соединений на печатной плате, содержит свинец, который считается токсичным материалом. Пары припоя считаются опасными для здоровья, поэтому паяльные операции должны выполняться в закрытом помещении. Перед выбросом в атмосферу пары необходимо надлежащим образом удалить и очистить.

Многие электронные продукты, содержащие ПХД, устаревают в течение 12-18 месяцев. Возможность того, что эти устаревшие продукты попадут в потоки отходов и окажутся на свалках, беспокоит многих экологов. Усилия по переработке электронных продуктов включают в себя восстановление старых продуктов и их перепродажу клиентам, которые не нуждаются в новейшей современной электронике или не имеют к ней доступа. Другая электроника разбирается, а компьютерные части утилизируются для перепродажи и повторного использования в других продуктах.

Во многих странах Европы законодательство требует, чтобы производители выкупали свои бывшие в употреблении продукты и делали их безопасными для окружающей среды перед утилизацией. Для производителей электроники это означает, что они должны удалить и утилизировать токсичный припой со своих печатных плат. Это дорогостоящий процесс, который стимулировал исследования по разработке нетоксичных средств для электрических соединений. Один многообещающий подход включает использование водорастворимых, электропроводящих формованных пластиков для замены проводов и припоя.

Будущее

Миниатюризация электронных продуктов продолжает подталкивать производство печатных плат к меньшим и более плотно упакованным платам с расширенными электронными возможностями. Достижения по сравнению с описанными здесь платами включают трехмерные формованные пластиковые платы и более широкое использование микросхем интегральных схем. Эти и другие достижения сохранят производство печатных плат в динамичной области на долгие годы.