Кафедра автоматики, контроля и диагностики
Доклад
по курсу «Автоматизированное проектирование электронных элементов и систем»
«Принципы конструирования печатных плат»
Выполнил: студент гр. ЭиА-С13
Антонов Ю.В.
Проверил: доцент, к.т.н.
каф. АКиД
Мурачев Е.Г.
Обнинск, 2016 г.
Оглавление
1. Печатные платы и их классификации. 2
2. Технологические процессы изготовления ПП. 2
3. Конструктивные характеристики ПП. 3
Список литературы.. 10
Печатные платы и их классификации.
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.
Основой печатной платы является подложка из стеклотекстолита –диэлектрика, представляющего собой спрессованные листы стеклоткани, пропитанной эпоксидным компаундом (смолой). На поверхности стеклотекстолита находится токопроводящий слой медной фольги (проводник). Типовая толщина проводника 0,035 и 0,018 мм. Этот слой является обязательным для всех классов ПП. После проведения определенных технологических операций остаются только нужные элементы этого проводника (токопроводящие «дорожки», контактные площадки).
В зависимости от того, сколько таких слоев имеет ПП, она может попадать в один из трех нижеприведенных классов:
Односторонние (однослойные). Проводник присутствует только на одной стороне ПП.
Двухсторонние (двухслойные). Проводник присутствует на обеих сторонах ПП.
Многослойные. Представляют собой как бы слоеный пирог из двухсторонних плат, между которыми проложены прокладки из стеклоткани, пропитанной в эпоксидной смоле.
Гибкие. Выполняются, как правило, двухсторонними с металлизированными отверстиями и контактными площадками толщиной не более 0,6 мм.
Рельефные.
Технологические процессы изготовления ПП.
При конструировании ЭВА на печатных платах (ПП) используют два основных принципа конструирования: одноуровневый и многоуровневый. Выбор принципа конструирования определяется возможностями технологии обеспечить необходимый уровень интеграции при данной сложности (количестве элементов) схемы.
Одноуровневый (моносхемный) заключается в том, что вся электрическая схема располагается на одной ПП. Принцип применения ограничен, так как очень сложные ПП имеют низкую надежность, неудобны при настройке и ремонте ЭВА.
Многоуровневый принцип применяют при производстве массовой и серийной ЭВА. Он заключается в том, что конструкция ЭВА состоит из модулей нескольких (двух и более) уровней иерархии. Под конструктивным модулем понимается любой узел ЭВА, который по конструктивному оформлению и технологии производства является самостоятельным и имеет стандартные средства электрического и механического сопряжения.
Типы производства:
Единичное – производство, при котором изделие выпускается единичными экземплярами. Характеризуется малой номенклатурой изделий, малым объёмом партий, универсальным оснащение цехов, рабочими высокой квалификации.
Серийное – характеризуется ограниченной номенклатурой изделий, изготавливаемых повторяющимися партиями сравнительно небольшим объёмом выпуска. В зависимости от количества изделий в партии различают мелко-, средне- и крупносерийные производства.
Универсальное – используется специальное оборудование, которое располагается по технологическим группам, техническая оснастка универсальная, квалификация рабочих средняя.
Массовое – характеризуется узкой номенклатурой и большим объёмом изделий, изготавливаемых непрерывно; использованием специального высокопроизводительного оборудования, которое расставляется по поточному принципу. В этом случае транспортирующим устройством является конвейер. Квалификация рабочих низкая.
Конструктивные характеристики ПП.
3.1. Односторонние печатные платы
Маршрут изготовления односторонних плат фотохимическим способом традиционно включает штамповку, сверление, фотолитографию, травление медной фольги, защиту поверхности и подготовку к пайке, разделение заготовок. В отличие от современных электронных устройств, даже бытового назначения, для односторонних плат необходимы контурное фрезерование, нанесение защитных маскирующих покрытий, их сборка ведется с посадкой кристаллов непосредственно на плату или поверхностным монтажом.
Эти платы используются исключительно для одностороннего монтажа элементов в гладкие (не металлизированные) отверстия. Установка элементов на поверхность практикуется обычно в любительских или макетных конструкциях. Весь электрический монтаж осуществляется на одном слое. Общепринято считать первым (верхним) слоем тот, на котором расположены элементы. При двухстороннем размещении элементов за верхний принимается слой, на котором находится соединитель или иные устройства внешней коммутации (монтажные элементы, колодки, платы и т.д.).
Односторонние печатные платы (рис. 1) обеспечивают самую большую точность выполнения проводящего рисунка и совмещения его с отверстиями. Во избежание отслоения печатных проводников все элементы следует монтировать без зазоров между корпусом элемента и печатной платой. Для повышения прочности крепления элементов возможно изготовление односторонних печатных плат с металлизацией отверстий, но их стоимость будет сопоставима с двухсторонними. Односторонние печатные платы благодаря их дешевизне используются преимущественно в бытовой аппаратуре.
Рис. 1. Поперечное сечение односторонней платы
3.2. Двухсторонние печатные платы
В настоящее время двухсторонние платы (рис. 2) составляют значительную долю объёма выпуска плат.
Внимание разработчиков к этому виду плат объясняется своеобразным компромиссом между их относительно малой стоимостью и достаточно высокими возможностями. Технологический процесс изготовления двухсторонних плат, также как односторонних, является частью более общего процесса изготовления многослойных ПП. Однако для двухсторонних плат не требуется применять прессования слоев, значительно проще выполняется очистка отверстий после сверления.
Известны две разновидности двухсторонних печатных плат: без металлизации и с металлизацией сквозных отверстий. Первые по многим параметрам соответствуют односторонним платам. Но из-за наличия еще одного слоя (в данном случае – первого) повышается трассировочная способность печатных плат и в определенной степени плотность компоновки элементов. Серьезная проблема таких плат – обеспечение электрических переходов между слоями, для чего применяются заклепки, проволочные перемычки или пайка выводов элементов с двух сторон печатных плат. Все это резко усложняет монтаж и в целом повышает стоимость устройства. Платы первой разновидности обычно используются в любительских и макетных устройствах.
Платы второй разновидности имеют высокую трассировочную способность, обеспечивают высокую плотность монтажа элементов и хорошую механическую прочность их крепления. Они допускают монтаж элементов на поверхности и являются наиболее распространенными в производстве радиоэлектронных устройств.
Рис. 2. Поперечное сечение двухсторонней печатной платы
3.3. Многослойные печатные платы
Многослойные печатные платы (МПП) составляют две трети мирового производства печатных плат в ценовом исчислении, хотя в количественном выражении уступают одно- и двухсторонним платам. По своей структуре МПП (рис. 3) значительно сложнее двухсторонних плат. Они включают дополнительные экранные слои («земля» и «питание»), а также несколько сигнальных слоев.
Рис. 3. Многослойная печатная плата
Для обеспечения коммутации между слоями МПП применяются межслойные (vias) и микропереходы (microvias). Межслойные переходы могут выполняться в виде сквозных отверстий, соединяющих внешние слои между собой и с внутренними слоями, применяются также глухие и скрытые переходы.
Глухой переход – это соединительный металлизированный канал, видимый только с верхней или нижней стороны платы. Скрытые же переходы используются для соединения между собой внутренних слоев платы.
Для изготовления МПП производится соединение нескольких ламинированных фольгой диэлектриков между собой, для чего используются склеивающие прокладки – препреги (предварительно пропитанные). Поэтому толщина МПП растет непропорционально быстро с ростом числа сигнальных слоев. В связи с этим необходимо учитывать большое соотношение толщины платы к диаметру сквозных отверстий.
Тем не менее, даже учитывая трудности с металлизацией узких сквозных отверстий, изготовители МПП предпочитают достигать высокой плотности монтажа за счет большего числа относительно дешевых слоев, нежели меньшим числом высокоплотных, но соответственно более дорогих слоев.
Многослойные печатные платы отличаются очень высокой трассировочной способностью и плотностью монтажа элементов. Они почти не имеют ограничений по устанавливаемым элементам (микросхемы любой степени интеграции, поверхностно монтируемые элементы и т.д.). Вариантов изготовления многослойных печатных плат предложено очень много, но практическое применение имеют два.
Четырехслойные печатные платы попарного прессования. При их изготовлении используется технология двухсторонних печатных плат с металлизацией сквозных отверстий. Печатные платы относительно просты в изготовлении и являются самыми дешевыми из многослойных плат. Они имеют более высокую трассировочную способность по сравнению с аналогичными двухслойными платами, но их монтажная способность ниже, чем у аналогичных двухсторонних печатных плат. Это вызвано тем, что на наружных слоях платы находятся контактные площадки отверстий для перехода на смежный и противоположный слои многослойных печатных плат. Часто такие платы используются в варианте, когда два слоя отводятся для цепей «земля» и «питание» (в виде сетчатых слоев), а остальные – для трассировки функциональных цепей.
Многослойные печатные платы с металлизацией сквозных отверстий. Имеются две разновидности таких печатных плат: с внутренними межслойными переходами и без них. Фактически это один вариант изготовления, но наличие внутренних переходов с технологической точки зрения можно рассматривать как дополнительную разновидность. Данные платы позволяют монтировать любые элементы с одной или двух сторон. Посредством чередования экранных и функциональных слоев внутри платы удается получать проводники (цепи) с определенными электрическими параметрами, например, с нормированным волновым сопротивлением. Трассировочная способность многослойных печатных плат (при прочих равных условиях) зависит от количества слоев. На практике в основном используются платы с количеством слоев от 8 до 12. Увеличение числа слоев связано с проблемами металлизации сквозных отверстий (требуется сложное специализированное оборудование и тонкие технологии). Многослойные печатные платы с внутренними межслойными переходами имеют более высокую трассировочную способность по сравнению с многослойными печатными платами без переходов (при одинаковой их толщине), однако имеют более высокую стоимость. Поэтому применение таких плат оправдано только в случаях, когда размеры или количество слоев и соответственно толщина платы по разным причинам не должны превышать заданные значения. Тогда для обеспечения трассировки всех функциональных цепей приходится применять многослойные печатные платы с внутренними межслойными переходами.
3.4. Гибкие печатные платы
Использование гибких диэлектрических материалов для изготовления печатных плат дает как разработчику, так и пользователю электронных устройств ряд уникальных возможностей. Это, прежде всего, уменьшение размеров и веса конструкции, повышение эффективности сборки, улучшение электрических характеристик, теплоотдачи и в целом надежности.
Если учесть основное свойство таких плат – динамическую гибкость, становится понятным всевозрастающий объем их применения в автомобилях, бытовой технике, медицине, в оборонной и аэрокосмической технике, компьютерах, в системах промышленного контроля и бортовых системах.
Гибкие печатные платы (ГПП) изготавливаются на полиимидной или лавсановой пленке, поэтому могут легко деформироваться даже после формирования проводящего рисунка. Большая часть конструкций ГПП аналогична конструкциям печатных плат на жесткой основе.
Односторонние ГПП (рис. 4) наиболее распространены в этом классе плат, поскольку обладают наилучшей динамической гибкостью. Контактные площадки плат расположены с одной стороны, в качестве материала проводящей фольги чаще всего используется медь.
Рис. 4. Односторонняя гибкая печатная плата
Односторонние ГПП с двухсторонним доступом (рис. 5) имеют один проводящий слой, контактные площадки к которому выполнены с обеих сторон платы.
Рис. 5. Односторонняя гибкая печатная плата с двухсторонним доступом
Двухсторонние ГПП имеют два проводящих слоя, которые могут быть соединены сквозными металлизированными переходами (на рис. 6 проводники нижнего слоя идут перпендикулярно проводникам верхнего слоя).
Рис. 6. Двухсторонняя гибкая печатная плата
Многослойные ГПП (рис. 7) содержат не менее трех проводящих слоев, соединенных металлизированными отверстиями, которые обеспечивают межслойное соединение. В платах проще реализовывать высокую плотность монтажа, поскольку не требуется обеспечивать больших значений соотношений «высота/диаметр отверстия».
Рис. 7. Многослойная гибкая печатная плата
Жесткогибкие ПП (рис. 8) являются гибридными конструкциями и содержат как жесткие, так и гибкие основания, скрепленные между собой в единую сборку и электрически соединенные металлизированными отверстиями.
Рис. 8. Жесткогибкая печатная плата
В ГПП с местным ужесточением (укреплением) возможно размещение внутри гибкой основы жестких металлических деталей (рис. 9). Получаются многоэтапным процессом фотолитографии и травления.
Рис. 9. Гибкая печатная плата с местным ужесточением
3.5. Рельефные печатные платы
Конструкция и технология изготовления рельефных печатных плат (РПП) существенно отличаются от традиционных двухсторонних (ДПП) и многослойных (МПП). РПП (рис. 10) представляет собой диэлектрическое основание, в которое углублены медные проводники, выполненные в виде металлизированных канавок, и сквозные металлизированные отверстия, имеющие форму двух сходящихся конусов. Такие канавки и отверстия заполняются припоем. Обычно РПП имеют два проводящих и один изоляционный слой.
Рис. 10. Рельефная печатная плата
Как видно из рис. 11, элементы проводящего рисунка могут быть следующих видов:
· прямолинейные проводники на первом и втором слоях;
· переходные металлизированные отверстия (для электрического соединения элементов рисунка на проводящих слоях);
· сквозные монтажные металлизированные отверстия (для монтажа штыревых выводов электронных компонентов);
· металлизированные ламели (для монтажа планарных выводов электронных компонентов);
· глухие монтажные металлизированные отверстия (для монтажа планарных выводов электронных компонентов, формованных для пайки встык).
Проводники прямолинейны и параллельны осям Х и У, что связано с особенностью технологического оборудования изготовления канавок.
Рис. 11. Элементы проводящего рисунка
Список литературы
Овчинников, В.А. Автоматизация проектирования и технология производства печатных плат: учебное пособие / В.А. Овчинников, А.Н. Васильев, В.В. Лебедев. 1-е изд. Тверь: ТГТУ, 2009. 234 с.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B5%D1%87%D0%B0%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D1%82%D0%B0