Многослойные платы печатного монтажа

Многослойная печатная плата

Печа́тная пла́та — пластина, выполненная из диэлектрика, на которой сформирована (обычно печатным методом) хотя бы одна электропроводящая цепь. Печатная плата (ПП) предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов или соединения отдельных электронных узлов. Электронные компоненты на ПП соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка, обычно пайкой, или накруткой, или склёпкой, или впрессовыванием, в результате чего собирается электронный модуль (или смонтированная печатная плата).

Содержание

Виды плат

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на односторонние, двухсторонние и многослойные.

В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги аддитивным или субтрактивным методом. В аддитивном методе проводящий рисунок формируется на нефольгированном материале, обычно путём химического меднения через предварительно нанесённую на материал защитную маску. В субтрактивном методе проводящий рисунок формируется на фольгированном материале, путём удаления ненужных участков фольги, при этом обычно используется химическое травление.

Печатная плата обычно содержит монтажные отверстия и контактные площадки, которые могут быть дополнительно покрыты защитным покрытием: сплавом олова и свинца, оловом, золотом, серебром, органическим защитным покрытием. Кроме того в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения слоёв платы, внешнее изоляционное покрытие («защитная маска») которое закрывает изоляционным слоем неиспользуемую для контакта поверхность платы, маркировка обычно наносится с помощью шелкографии, реже — струйным методом или лазером.

Многослойные печатные платы

Многослойные печатные платы (сокращенно МПП, англ. multilayer printed circuit board ) применяются в случаях, когда разводка соединений на двусторонней плате становится слишком сложной. По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа увеличивается количество слоев на платах.

В многослойных платах внешние слои (а также сквозные отверстия) используются для установки компонент, а внутренние слои содержат межсоединения либо сплошные платы питания. Для соединения проводников между слоями используются межслойные переходные отверстия. При изготовлении МПП сначала изготавливаются платы слоёв, которые склеиваются через специальные клеящие прокладки (препреги). Далее выполняется прессование, сверление и металлизация переходных отверстий.

Виды печатных плат

По количеству слоёв проводящего материала:

• Односторонние
• Двусторонние
• Многослойные (МПП)

По технологии монтажа:

Каждый вид печатной платы может иметь свои особенности, в связи с требованиями к особым условиям эксплуатации (например, расширенный диапазон температур) или особенности применения (например, в приборах, работающих на высоких частотах).

Материалы

Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как текстолит, стеклотекстолит, гетинакс. Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как Capton.

Технологии разработки печатных плат

Современные компьютерные технологии позволяют проектировать печатные платы с любой точностью. Для проектирования печатных плат используются специальный класс Систем Автоматизированного Проектирования (САПР) —

Проектирование МПП выполняется с использованием современных САПР ПП, из которых наиболее полными возможностями обладают Allegro компании Cadence и Expedition компании Mentor Graphics. Для коммерческих фирм более типично использование Allegro в связи с её существенно более низкой стоимостью и более дружественным интерфейсом. В России на конец 2008 года наибольшее распространение имеют более простые САПР с недостаточными возможностями по проектированию сложных МПП — это нелицензионные копии Altium Designer (программа, находящаяся на промежуточном уровне между

Примечания

SPECCTRA не является отдельной программой. Это приложение к самой популярной программе PCAD

Источник

Многослойные печатные платы

Сложно представить современный мир без электронных устройств. В настоящее время с каждым годом они содержат все больше функций, а значит, усложняется технология их производства. Печатные платы помогают структурировать все компоненты устройства, позволяя при этом разместить их наиболее компактно.

1. Печатные платы: назначение, основные характеристики, виды.
   1. Виды печатных плат.
   2. Конструирование печатной платы.
   3. Изготовление печатной платы.
2. Многослойные печатные платы.
   1. Рекомендации по проектированию МПП.
   2. Особенности производства МПП.
      1. Методы изготовления многослойных печатных плат.
      2. Крепежные отверстия многослойных печатных плат.
   3. Достоинства и недостатки многослойных печатных плат.
   4. Пути уменьшения себестоимости многослойных печатных плат.
   5. Гибкие многослойные печатные платы.
   6. Дефекты МПП.
3. Монтаж печатных плат.
   1. Ручной монтаж.
   2. Автоматический монтаж.
4. Вывод.

Печатные планы: назначение, основные характеристики, виды

Печатная плата – это пластина из материала, не проводящего электрический ток, с расположенной на ней (или в объеме) электросхемой из электрических цепей. Основное назначение данной пластины – механическое или электрическое соединение электронных элементов какого-либо устройства или механизма. В большинстве случаев такие элементы соединяются с рисунком печатной платы посредством обычной пайки.

В отличие от навесного монтажа электрических схем, который производится в большинстве случаев вручную, печатная плата является более сложным компонентом, большая часть элементов которой создается механизированным способом. При этом рисунок на плате выполнен из фольги и расположен на твердой надежной основе из диэлектрика.

Виды печатных плат

В зависимости от материала основы и количества слоев проводящего рисунка печатные платы делятся на несколько видов:

Все проводящие элементы таких плат расположены на одной стороне. Металлизация возможна, но с ней стоимость такого элемента станет сравнима с двухсторонним, поэтому в большинстве случаев это нецелесообразно. Главное достоинство таких плат – высокая точность рисунка и сравнительно невысокая стоимость, при этом ее характеристик достаточно для несложных бытовых приборов. Однако недостатки у данного вида тоже есть: недостаточная надежность и долговечность, а также плохое закрепление элементов на плате, из-за чего со временем они могут отслаиваться.

Особенность двухсторонних печатных плат – рисунок нанесен с обеих сторон элемента. При этом различают платы с неметаллизированными и металлизированными отверстиями. Первый тип по своим свойствам и структуре похож на простейшие односторонние платы, выгодное отличие – возможность компактнее располагать компоненты на плате, благодаря чему уменьшается объем собираемого устройства. Недостаток данного типа – технически сложная передача электричества между разными сторонами элемента. При этом соединение происходит посредством пайки или устройства специальных металлических перемычек. Такое устройство не является надежным, поэтому в большинстве случаев используется при изготовлении макетов будущих сложных устройств или в любительском конструировании электронных деталей.

Металлизированные же платы – это элементы, отверстия для соединения слоев которых металлизированы, то есть покрыты тонким слоем фольги для увеличения прочности без потери качества передачи данных. При этом компактность расположения элементов на плате сохраняется, поэтому в настоящее время при производстве несложных радиоэлектронных устройств и механизмов используются именно двухсторонние металлизированные платы.

Многослойные платы – отличное решение для изготовления сложных устройств, в которых требуется высокая плотность установки соединяемых на плате элементов, причем количество слоев и рисунок напрямую зависит от назначения платы. Элементы крепятся на двух сторонах платы, а электрические схемы внутри нее служат для их соединения друг с другом посредством сложных переходов через межслойные отверстия. Наибольшее количество слоев такой платы – 32, при этом достигается максимальная плотность монтажа элементов без потери надежности их соединения.

Гибкие печатные платы могут быть однослойными, двухслойными или многослойными в зависимости от назначения. Они представляют собой тонкие пластины из гибкого материала рекордно маленькой толщины. Они предназначены для соединения отдельных элементов устройств, а так же могут служить заменой кабелю. Довольно легко в процессе монтажа немного менять их форму, поэтому гибкие платы – отличное решение для установки в труднодоступных местах. Кроме того, они подходят для установки в сложных климатических условиях, так как имеют расширенный диапазон рабочих температур.

По конструкции они напоминают обычные гибкие платы, однако имеют усиление с тыльной стороны в некоторых местах для обеспечения максимальной надежности.

Рисунок — Структура многослойной гибкой платы.

Конструирование печатной платы

Проектирование всех печатных плат происходит при помощи специальных программ с соблюдением существующих норм и правил. В нашей стране конструирование данного элемента должно проводиться в строгом соответствии ГОСТам, при этом любая печатная плата проектируется по нижеприведенной схеме:

Данный этап начинается с переноса графической схемы в базу данных системы автоматизированного проектирования. Далее вводится расположение и схемы всех компонентов, при этом в большинстве случаев используются готовые библиотеки, так как большая часть компонентов является стандартной. И в завершение данного этапа уточняются необходимые характеристики будущего элемента: материал, количество слоев, размеры отверстий и так далее.

В первую очередь вычерчиваются все элементы платы как в отдельности, так и в составе единой схемы со всеми соединениями и переходами. На данном этапе проектировщик старается расположить все элементы на одной стороне, так как в противном случае производство платы значительно возрастает в цене. И заключительный (наиболее важный) этап – отрисовка всех дорожек и проверка их работоспособности. Данные действия обычно проводятся несколько десятков раз, пока не будет достигнута максимально возможная точность.

То есть запись файла в подходящий формат и составления сопроводительной записки, в которой указаны все параметры схемы.

Изготовление печатной платы

Существует два способа создания печатных плат: аддитивный и субтрактивный. В первом случае фольгированный рисунок наносится на плату химическим способом, во втором – наоборот, вначале поверхность покрывается слоем фольги, затем из него удаляются ненужные места. В настоящее время применяется исключительно второй способ, так как с помощью него можно добиться максимальной точности рисунка.

Процесс производства печатных плат любого типа состоит из нескольких этапов:

1. Производство заготовки.
2. Подготовка заготовки путем ее обезжиривания и зачистки поверхности для удаления всех видов мусора и жира с поверхности для достижения максимального качества будущего покрытия.
3. Нанесение защиты на заготовку.

Данный этап является наиболее важным, так как именно от него зависит качество и долговечность будущей платы. Сделать это можно ручным способом или с использованием специального лазерного принтера. Первый способ подходит только для небольшого объема работ, так как данный процесс является достаточно трудоемким. При применении же второго способа достигается максимальная точность за минимальное время, поэтому в промышленных масштабах используется исключительно он.

1. Удаление лишней меди и защитного покрытия с заготовки.
2. Сверление отверстий и обработка заготовки с целью достижения необходимых электрических свойств.

Возможно химическое, механическое или лазерное нанесение рисунка.

1. Установка и закрепление всех компонентов.
2. Проверка работоспособности элемента.

Последний этап является достаточно важным, так как необходимо проверить все характеристики готового элемента. Ведь упустив хотя бы одну, конечное устройство будет работать некорректно. Проверка происходит с использованием стенда с камерой в несколько этапов:

1. Проверка рисунка и расположения отверстий.
2. Обследование количества и правильности нанесения паяльной пасты.
3. Правильность расположения элементов на плате.
4. Контроль качества пайки.

Многослойные печатные платы

В настоящее время не только в нашей стране, но и во всем мире широко распространены многослойные печатные платы (МПП). Крупные производства уже практически полностью отказались от изготовления однослойных и даже двухслойных элементов, так как промышленность не стоит на месте, и с каждым годом выпускаются все более технически сложные приборы, возможностей простых плат для которых недостаточно.

Сейчас при производстве многослойных (МПП), однослойных и двухслойных плат используется приблизительно одинаковое количество материалов, поэтому себестоимость таких элементов практически равна. Отличается лишь технология производства, из-за сложности которой МПП дороже в несколько раз. Однако с каждым годом производство все больше автоматизируется, разрабатываются новые методы изготовления элементов, благодаря чему происходит удешевление МПП.

Рисунок — Пример многослойных печатных плат (6 слоев).

Рекомендации по проектированию МПП

При проектировании многослойных печатных плат необходимо учесть следующие моменты:

• Не стоит выполнять все проводники минимальной толщины, нужно делать это только там, где есть такая необходимость.
• Необходимо контролировать расстояние от отверстия до металла во внутреннем слое.
• Обязательна проверка корректности подсоединения слоев на предмет наличия минимальных зазоров и изолированных областей.
• Необходимо выдержать расстояние от металла до края платы. То есть нужно оставить достаточный зазор с учетом погрешности фрезерования контура.

Особенности производства МПП

Современные МПП создаются путем одновременного нанесения рисунка на обе стороны элемента. Благодаря такой схеме производства значительно сокращается время изготовления, главное – выдерживать симметрию. Кроме того, при изготовлении таких плат необходимо уделить особое внимание следующим параметрам:

• Толщина и качество слоев.
• Проверка волнового сопротивления проводников (особенно для 8-слойных плат).
• Обязательно заполнение сеткой пустых мест на МПП (таким образом увеличивается устойчивость готового элемента к механическому воздействию).

При производстве МПП необходима более высокая квалификация сотрудников (в сравнении с изготовлением более простых плат). Поэтому необходимо проводить своевременное обучение персонала и повышение квалификации. Компания «ПАНТЕС» (https://www.pantes.ru/mnogosloynye-pechatnye-platy/) на протяжении многих лет занимается производством МПП, поэтому гарантирует высокий профессионализм сотрудников, а значит, и качество сборки плат.

Рисунок — Схема многослойной печатной платы.

3 – контактные отверстия.

4 – Тонкопроводящие дорожки.

Методы изготовления многослойных печатных плат

С каждым годом технология изготовления МПП совершенствуется. Какие-то методы ушли в прошлое, какие-то сильно изменились и вернулись в промышленность. В настоящее время существует несколько методов изготовления, каждый из которых подходит для определенного применения:

1. Метод металлизации сквозных отверстий.

При использовании данного метода соединение слоев происходит исключительно при помощи металлизации сквозных отверстий. Заключается данный метод в последовательном выполнении трех этапов:

• Производство заготовки (причем внутренние слои – двухсторонние платы, внешние – односторонние).
• Сборка и прессование.
• Нанесение рисунка и металлизация отверстий.

1. Метод попарного прессования.

Соединение слоев также происходит при помощи металлизации отверстий. При этом берутся две заготовки, на каждую из которых добавляется по 2-3 слоя. Затем они соединяются между собой путем попарного просверливания и металлизации отверстий.

1. Метод послойного наращивания.

Главная особенность данного метода – постоянное чередование металлизированного слоя и изоляции. При этом переходы с одного слой на другой могут быть расположены в разных частях платы, что повышает ее прочность и надежность.

Вышеперечисленные методы являются наиболее популярными, однако существуют и другие. Например, метод открытых контактных площадок, когда межслойная связь осуществляется путем пайки или проволочного присоединения к открытым площадкам.

Крепежные отверстия многослойных печатных плат

Все крепежные отверстия должны быть высверлены на специальном оборудовании в соответствии с существующими нормами и правилами. В настоящее время существует следующее деление отверстий:

• Отверстия для закрепления платы на несущей конструкции.
• Отверстия для крепления навесных компонентов.

Кроме того, существуют глухие и скрытые отверстия. Первый тип служит для соединения внешнего слоя печатной платы с одним или несколькими внутренними. Второй – для соединения внутренних слоев между собой.

Р Конструкция многослойной печатной платы с отверстиями разного типа.

Достоинства и недостатки многослойных печатных плат

Наибольшее распространение как в России, так и в других странах мира, МПП завоевали благодаря следующим достоинствам:

• Максимальная плотность компонентов и дорожек (в сравнении с однослойными и двухслойными платами). Благодаря данному достоинству возможно достижение минимальных размеров данного элемента, что положительно отражается на габаритах готового устройства.
• Минимальная длина проводников позволяет добиться максимальной скорости обработки данных, отчего готовое устройство работает быстрее и эффективней.
• Сочетание разных материалов в основе МПП позволяет эффективно использовать свойства каждого из них.
• Эффективный отвод тепла от печатной платы.
• Эффективное экранирование цепей переменного тока.
• Высокая надежность и долговечность элемента, достигаемая благодаря особому методу сборки.
• Возможность модернизировать элемент.

Несмотря на обширный перечень достоинств МПП, существует и ряд недостатков:

В последние годы данный недостаток становится все менее существенным, так как благодаря внедрению современных методов производства процесс изготовления отнимает все меньше времени и денежных средств.

• Высокие требования к точности оборудования и квалификации персонала.

Процесс производства довольно сложный и трудоемкий, поэтому вручную неосуществим, и требует специального оборудования. Главное – систематически проверять его работоспособность, в противном случае могут быть изготовлены бракованные МПП, что повлечет за собой потерю большого количества денег.

• Высокая продолжительность производственного процесса.
• Необходимость более тщательной проверки готовых многослойных плат.

Для такой проверки требуется высококвалифицированный персонал, в противном случае возможен пропуск некачественных изделий, что отразится на репутации производителя.

• Невозможность отремонтировать сломанное устройство самостоятельно.

МПП – технически сложный элемент с множеством мелких деталей, к большинству из которых пробраться без специализированного оборудования практически невозможно. Поэтому самостоятельный ремонт возможет только в случае его проведения высококвалифицированным мастером.

• Снижение циклов монтаж-демонтаж.

Главное при производстве МПП – тщательный контроль. Тогда большинство недостатков становиться незначительным.

Пути уменьшения себестоимости многослойных печатных плат

Современное автоматизированное производство позволяет максимально сократить расходы на изготовление МПП, благодаря следующим методам:

• Исключение излишне сложного проекта. Подразумевается избегание большого количества слоев и проводников.
• Не допускается необоснованное применение большого числа разных типов глухих и скрытых отверстий.
• Используется структура с внутренними ядрами (если использовать внешние ядра, количество слоев увеличивается, а значит, растет и стоимость).
• Комбинированная структура используется только при необходимости.

Гибкие многослойные печатные платы

Одна из наиболее популярных разновидностей МПП – гибкие платы. Основной материал для изготовления в данном случае – полимер, который отлично гнется, а значит, его сложнее деформировать, чем стандартный элемент. В большинстве случаев при производстве плат данного типа добавляют специальное вещество, повышающее адгезию (при некоторых обстоятельствах применение таких составов нецелесообразно). Кроме того, на некоторые гибкие элементы наносят защитный слой (как и на стандартные жесткие платы).

Основная сфера применения таких плат – устройства, в которых требуется соединить большое количество элементов на ограниченном пространстве (или в неудобном месте). В сравнении с жесткими платами гибкие обладают рядом преимуществ:

• Малые габариты (достигаются путем использования специальных материалов и технологии производства).
• Небольшой вес (жесткая конструкция всегда тяжелее гибкой).
• Максимально возможная эффективность сборки устройства.
• Минимальная стоимость материалов и компонентов.
• Высокая надежность, достигаемая благодаря уменьшению количества соединений в сравнении с жесткими платами.
• Высокая устойчивость к воздействию высокой температуры.
• Возможность поверхностного монтажа.

Дефекты МПП

В настоящее время в соответствии с ГОСТом все дефекты МПП делятся на две большие группы: визуально наблюдаемые и ненаблюдаемые. К первой группе относятся следующие дефекты:

• Заметные недостатки на поверхности платы (например, царапины, пустоты, выемки).
• Недостатки под внешним слоем (например, пятна).
• Проблемы с отверстиями (например, трещины или царапины).
• Несоответствие размеров печатной платы.

К визуально ненаблюдаемым относятся:

• Инородные тела под поверхностью платы.
• Недостатки в скрытых отверстиях.
• Проблемы с внутренними проводниками (например, неравномерное оксидирование).
• Проблемы с микрошлифами.

Некоторые дефекты могут существенно отразиться на работоспособности и долговечности готового устройства. Поэтому по завершению производства МПП обязательна тщательная проверка изделия на предмет наличия дефектов.

Монтаж печатных плат

В зависимости от особенностей места установки и необходимого количества печатных плат выбирается ручной или автоматический монтаж. При этом сроки и стоимость установки зависит от нескольких факторов:

• Количество элементов одного типа.

От данного параметра зависит сложность монтажа, так как гораздо проще настроить установку 100 одинаковых элементов, чем 30 различных.

• Имеется ли в наличие полный комплект изделий и приспособлений для монтажа.

В случае неполноты комплекта необходим дозаказ нужных элементов. Данный производственный процесс является довольно специфичным, поэтому нужные изделия возможно придется ждать довольно долго.

• Наличие полного комплекта документации.

Ручной монтаж

При монтаже небольшого количества элементов нецелесообразно применять автоматические линии. Поэтому в данной ситуации установка осуществляется ручным способом. Кроме того, иногда ручной монтаж является подготовительным этапом перед автоматическим. При этом происходит пайка элементов с использованием современного оборудования.

Чтобы монтаж был произведен максимально быстро и качественно, необходима подготовка следующих документов:

• Полный перечень компонентов и спецификация на все элементы.
• Подробный чертеж с указанием всех требований.
• Схема на изделия и комплектующие (в случае необходимости).

Главное – ответственно подойти к выбору исполнителя, так как от его профессионализма зависит надежность и долговечность изделия.

Автоматический монтаж

При автоматическом монтаже используется полностью автоматизированная линия поверхностного монтажа, которая включает следующие элементы:

1. Автоматическая установка (позволяет монтировать компоненты любой формы и размеров).
2. Конвекционная печь со встроенной системой управления (осуществляет пайку элементов).
3. Принтер для трафаретной печати.
4. Ручной манипулятор (сокращает сроки выполнения небольших заказов).

Вышеперечисленный список является приблизительным, все зависит от особенностей монтажа и фирмы, которая его осуществляет.

При заказе автоматического монтажа на производстве необходимо представить следующие документы:

1. Проект изделия в формате, который укажет исполнитель.
2. Спецификацию компонентов.
3. Подробный чертеж.

Вывод

В настоящее время наибольшей популярностью пользуются именно многослойные печатные платы. Они способны не только соединить все компоненты и обеспечить высокое качество передачи сигнала, но и создать максимально компактное устройство. А благодаря современным технологиям производства, стоимость таких плат ненамного выше простых однослойных или двухслойных элементов. Подходящих альтернатив печатным платам нет, поэтому они вытеснили кабельные соединения в приборостроении, создавая при этом идеальные условия как для заказчиков, так и для исполнителей.

В отличие от однослойных и двухслойных элементов многослойные платы открывают гораздо больше возможностей для проектирования, поэтому их активно используют при конструировании сложных электрических устройств.

Источник