Технология производства и монтажа печатных плат

Исходный материал — диэлектрическое основание, ламинированное с одной или двух сторон медной фольгой.

В качестве диэлектрика могут выступать:

• листы, изготовленные на основе стеклотканей, пропитанных связующим на основе эпоксидных смол — стеклотекстолит (СФ, СТФ, СТАП, FR4 и т.п.)
• листы с керамическим наполнителем, армированные стекловолокном — Rogers RO5603, RO4350
• листы фторопласта (PTFE), также армированные — Arlon AD 250 и 255, Arlon (AD и AR),
• ламинаты на металлическом основании (алюминий, медь, нержавеющая сталь)
• плёнки из полиимида, полиэтилентерефталата (PET, ПЭТФ, лавсан)

Материалы для стандартных односторонних, двусторонних и многослойных печатных плат

Фольгированный стеклотекстолит FR4 с температурой стеклования 135ºС, 150ºС и 170ºС является наиболее распространенным материалом для производства односторонних и двухсторонних печатных плат. Толщина стеклотекстолита обычно варьируется от 0,5 до 3,0 мм.

Достоинства FR4: хорошие диэлектрические свойства, стабильность характеристик и размеров, высокая устойчивость к воздействию неблагоприятных климатических условий.

Во многих случаях, где требуются достаточно простые печатные платы (при производстве бытовой аппаратуры, различных датчиков, некоторых комплектующих к автомобилям и т.п.) превосходные свойства стеклотекстолита оказываются избыточными, и на первый план выходят показатели технологичности и стоимости. В таких случаях обычно используют следующие материалы:

• XPC, FR1, FR2 — фольгированные гетинаксы (основа из целлюлозной бумаги, пропитанной фенольной смолой), широко применяется при изготовлении печатных плат для бытовой электроники, аудио-, видео техники, в автомобилестроении (расположены в порядке возрастания показателей свойств, и, соответственно, цены). Прекрасно штампуются.
• CEM-1 — ламинат на основе композиции целлюлозной бумаги и стеклоткани с эпоксидной смолой. Прекрасно штампуется.

Материалы для плат с повышенной теплоотдачей

Платы с металлическим основанием находят широкое применение в устройствах с мощными светодиодами, источниках питания, преобразователях тока, модулях управления двигателями.

Основанием платы служит металлическая пластина. В зависимости от требуемых характеристик выбирается материал. Наиболее часто используются алюминиевые сплавы:

• 1100 (отечественный аналог сплав АД) — из-за небольшого количества примесей материал обладает хорошей теплопроводностью (220 W/mK), пластичен, недостатками являются: невысокая механическая прочность и вязкость, что затрудняет механическую обработку контура печатных плат;
• 5052 (отечественный аналог сплав АМг2.5) — наиболее употребительны, несмотря на относительно не очень высокую теплопроводность (порядка 140 W/mK), хорошо обрабатываются, относительно дешевы;
• 6061 (отечественный аналог сплав АДЗЗ) — применяется, когда требуется повышенная коррозионная стойкость, помимо этого обладает повышенной механической прочностью. К недостаткам можно отнести более высокую цену по сравнению с вышеперечисленными сплавами.

В случаях, когда требуется очень высокая теплопроводность, в качестве металлического основания используется медь. Теплопроводность меди 390 W/mK, к недостаткам можно отнести высокую стоимость и затрудненность механической обработки фрезерованием вследствие высокой вязкости. Когда требуется высокая коррозионная стойкость и механическая прочность, в качестве металлического основания используется нержавеющая сталь.

Материалы для СВЧ печатных плат

При производстве СВЧ печатных плат применяются специальные диэлектрические материалы, характеризующиеся повышенной (в сравнении со стандартным FR4) стабильностью величины диэлектрической проницаемости и низкими потерями в широком диапазоне рабочих частот (от единиц МГц до десятков ГГц).

Спектр материалов для производства СВЧ печатных плат весьма широк: в качестве диэлектрика, как в чистом виде, так и в различных комбинациях (для придания необходимых характеристик, например термостабильности) применяют различные полимеры, керамику. В основном, диэлектрик армируется стекловолокном (различного плетения, что так же влияет на результирующие параметры материала). Неармированные материалы используются редко и, как правило, являются наиболее дорогостоящими и сложно обрабатываемыми (очень мягкие, либо очень хрупкие).

Многослойные конструкции СВЧ печатных плат выполняют как с применением только специализированных материалов, так и с применением стандартных материалов FR4. Например, с целью снижения стоимости, СВЧ диэлектрик используют только для разделения одного или двух внешних сигнальных слоёв, а для остальных — используют обычный FR4 (такие конструкции МПП называются гибридными).

Материалы для гибких печатных плат

Доминирующим базовым материалом для производства гибких ПП является полиимид. Хотя полиэтилентерефталат существенно дешевле, его применяют значительно реже в виду более узкого диапазона рабочих температур и недостаточной размерной стабильности. Несмотря на недостатки полиэтилентерефталата, он всё же обладает рядом преимуществ, таких, например, как хорошая химическая стойкость и низкое влагопоглощение, а также он легко формуется (низкотемпературный термопласт). Наибольшее применение находит для изготовления односторонних гибких плат для узлов автомобильной промышленности.

В качестве проводящих слоёв используют как обычную электросаждённую гальваностойкую медную фольгу, так и катанную отоженную, или специально обработанную для минимизации шероховатости. Так же существует фольга со специальным резистивным подслоем (NiCr) для изготовления встроенных тонкоплёночных резисторов.

Катаная фольга обладает более высокими механическими свойствами, чем электроосаждённая, поэтому применяется в основном для производства ПП, рассчитанных на динамическую нагрузку и ПП с последующей формовкой контактов. Материалы с алюминиевой фольгой встречаются реже, в основном, в экранирующих материалах.

Распространенные толщины фольги: 12, 18, 35, 70, 105 мкм.

Адгезивы используются как для соединения медной фольги с базовой плёнкой, объединения слоёв многослойных конструкций, приклеивания защитных слоёв и ужесточителей, так и создания клеящих областей на поверхности ПП.

Препреги FR4 с температурой стеклования 135ºС, 140ºС и 170ºС используются для прессования МПП.

Защитное покрытие — это диэлектрический материал, защищающий внешние проводящие слои от воздействия окружающей среды. Может быть как в виде полиимидной или ПЭТФ плёнки с нанесённом с одной стороны слоем адгезива, так и в виде жидкой фотопроявляемой композиции. Плёночные материалы в основном применяются при изготовлении гибких печатных плат, характеризуются хорошо согласованной гибкостью с базовыми материалами, высокой электрической и механической прочностью, но обрабатываются, в основном, механическими способами, поэтому топология защитных слоёв имеет низкое разрешение. Жидкие фотопроявляемые покрытия лишены этого недостатка, но также в большинстве своём лишены и описанных выше преимуществ плёночных покрытий.

Защитная паяльная маска служит для защиты участков печатных плат от воздействия припоя. Существует два типа масок — сухая пленочная и жидкая.

Сухая пленочная паяльная маска обеспечивает хорошие результаты по тентированию переходных отверстий, наносится методом ламинирования, но в настоящее время используется редко, т.к. не подходит для печатных плат выше 3 класса точности. Жидкая паяльная маска наносится методом сеткографии через сетчатый трафарет, причем существует два варианта нанесения. Через готовый трафарет, когда в сетке уже сформированы все окна вскрытия, и маска наносится только на защищаемые участки печатной платы (такой вариант имеет невысокое разрешение и применяется, как правило, на односторонних печатных платах ниже 3 класса точности), и сплошное нанесение маски с использованием фотошаблонов и последующим проявлением.

Требования к совмещению фотошаблонов маски ниже, чем к фотошаблонам топологии, поэтому окна вскрытия должны быть шире контактных площадок. Это нужно учитывать при создании компонентов, особенно в САПР, где этот параметр задается непосредственно в компоненте (например, Altium Designer). Как правило, размер вскрытия задается на 0,1 мм больше размера контактной площадки. Следует также отметить, что разрешение (мостики в маске) маски составляет не менее 0,10 мм, и это нужно учитывать для компонентов с шагом выводов 0,5 мм.

Следует подчеркнуть, что паяльная маска не должна играть роль диэлектрика, поскольку в покрытии маской допускаются сколы.

При выборе расстояния между элементами проводящего рисунка, с точки зрения электрической прочности, следует руководствоваться нормами ГОСТ 53429-2009.

На открытые от маски участки меди различными методами наносится финишное покрытие для обеспечения качественной пайки.

Наиболее распространенными финишными покрытиями, применяемыми при изготовлении печатных плат, являются: оловянно-свинцовый и бессвинцовые припои, иммерсионное золочение, иммерсионное серебрение, иммерсионное олово, органическое защитное покрытие.