Таблицы методов изготовления печатных плат

2.1. Односторонние печатные платы

Односторонние печатные платы (ОПП) - наиболее простой и экономичный тип плат. Они имеют проводящий рисунок только с одной стороны диэлектрического основания.

Основные преимущества ОПП:

• Простота изготовления
• Низкая стоимость
• Высокая технологичность
• Короткие сроки производства

Ограничения ОПП включают низкую плотность монтажа и невозможность пересечения проводников без применения перемычек. Односторонние платы широко используются в недорогих электронных устройствах с простой схемотехникой: бытовой технике, простых контроллерах, светодиодных драйверах.

Типичный технологический процесс изготовления ОПП включает нанесение защитного рисунка на медную фольгу, травление незащищенных участков меди и удаление защитного слоя. Этот метод называется субтрактивным, поскольку предполагает удаление лишней меди с поверхности заготовки.

2.2. Двусторонние печатные платы

Двусторонние печатные платы (ДПП) имеют проводящий рисунок с обеих сторон основания. Электрическое соединение между сторонами обеспечивается металлизированными отверстиями.

ДПП позволяют значительно повысить плотность монтажа по сравнению с ОПП благодаря возможности размещать компоненты с обеих сторон и прокладывать проводники с пересечениями через переходные отверстия. Как видно из Таблицы 1, плотность монтажа ДПП может достигать 50-100 компонентов на дм².

Процесс изготовления ДПП сложнее и включает дополнительные этапы металлизации отверстий. Технология тентинг-метода, часто используемая для ДПП, предполагает защиту металлизированных отверстий фоторезистом в процессе травления.

Двусторонние платы широко применяются в средней сложности электронных устройствах: компьютерной периферии, промышленных контроллерах, измерительных приборах.

2.3. Многослойные печатные платы

Многослойные печатные платы (МПП) состоят из нескольких слоев проводников, разделенных диэлектрическими слоями и соединенных металлизированными отверстиями. Согласно Таблице 1, МПП могут иметь от 4 до 30 и более слоев.

Основные преимущества МПП:

• Высокая плотность монтажа (до 500 компонентов/дм²)
• Улучшенные электрические характеристики
• Возможность выделения отдельных слоев для питания и заземления
• Снижение электромагнитных помех

Технология изготовления МПП значительно сложнее и включает в себя отдельное изготовление внутренних слоев, их оптический контроль, прессование пакета слоев, сверление и металлизацию сквозных отверстий, формирование наружных слоев. Как показано в Таблице 2, для МПП часто используется полуаддитивный метод формирования проводников.

Многослойные печатные платы применяются в сложной высокопроизводительной электронике: серверах, сетевом оборудовании, промышленных компьютерах, медицинской технике, системах обработки сигналов.

2.4. Гибкие печатные платы

Гибкие печатные платы (ГПП) изготавливаются на основе гибкого полимерного материала, обычно полиимида или полиэстера. Они могут изгибаться без повреждения проводников, что открывает новые возможности для дизайна электронных устройств.

Согласно Таблице 3, ГПП характеризуются низкой диэлектрической проницаемостью (3,2-3,8) и малыми потерями (тангенс угла потерь 0,002-0,010), что делает их привлекательными для высокочастотных применений.

Преимущества ГПП:

• Гибкость и адаптивность к трехмерным конструкциям
• Малый вес и толщина (от 0,05 мм)
• Высокая устойчивость к вибрациям
• Хорошие электрические характеристики на высоких частотах

Технологический процесс производства ГПП специфичен и требует особого внимания к предотвращению деформаций тонкого основания. Для формирования отверстий часто используется лазерное сверление, а маска наносится в виде жидкого фотополимера.

Гибкие платы применяются в портативной электронике, медицинских имплантах, аэрокосмической технике, фотоаппаратах и других устройствах, где важны малый вес и объем.

2.5. Гибко-жесткие печатные платы

Гибко-жесткие печатные платы (ГЖПП) представляют собой комбинацию жестких и гибких участков. Это позволяет сочетать преимущества обоих типов: надежность посадки компонентов на жестких участках и гибкость соединений.

Как видно из Таблицы 4, ГЖПП имеют самую низкую технологичность производства и высокую стоимость (в 10-20 раз выше ОПП). При этом они обеспечивают уникальные конструктивные возможности.

Технология изготовления ГЖПП включает отдельное производство жестких и гибких частей, их точное совмещение и прессование. Критической задачей является обеспечение надежности на переходах между жесткими и гибкими участками.

Гибко-жесткие платы используются в высокотехнологичной электронике: спутниках, медицинских приборах, военной технике, смартфонах и других устройствах, где требуется интеграция различных электронных модулей в ограниченном пространстве.

3.1. Субтрактивная технология

Субтрактивная технология является наиболее распространенной и основана на удалении лишней меди с заготовки. Процесс включает следующие основные этапы:

1. Подготовка заготовки (фольгированный диэлектрик)
2. Нанесение защитного рисунка (фоторезист или сеткография)
3. Травление незащищенных участков меди
4. Удаление защитного слоя
5. Нанесение паяльной маски и финишного покрытия

Существует несколько вариантов субтрактивного метода, различающихся способом нанесения защитного рисунка:

• Негативный фоторезист: части, которые должны остаться, засвечиваются через фотошаблон
• Позитивный фоторезист: засвечиваются части, которые должны быть удалены
• Офсетная печать: защитный рисунок наносится краской
• Трафаретная печать: защитный материал продавливается через трафарет

Преимуществами субтрактивного метода являются его относительная простота и низкая стоимость оборудования. Недостатки включают боковое подтравливание проводников, ограничения по минимальной ширине проводника и значительные отходы меди.

3.2. Аддитивная технология

Аддитивная технология предполагает наращивание проводников на поверхности диэлектрика вместо удаления лишней меди. Основные этапы включают:

1. Подготовка диэлектрического основания
2. Нанесение каталитического слоя
3. Нанесение защитного рисунка (обратного желаемому рисунку проводников)
4. Химическое осаждение меди на незащищенные участки
5. Удаление защитного слоя
6. Нанесение паяльной маски и финишного покрытия

Преимущества аддитивного метода:

• Возможность получения более тонких проводников (до 25-30 мкм)
• Отсутствие боковых подтравливаний
• Экономия меди
• Лучшая адгезия проводников к основанию

Недостатки включают более сложный технологический процесс, необходимость в специальном оборудовании и более низкую проводимость химически осажденной меди по сравнению с электролитической.

Аддитивная технология часто применяется для изготовления гибких печатных плат с высокой плотностью монтажа.

3.3. Полуаддитивная технология

Полуаддитивная технология сочетает элементы субтрактивного и аддитивного методов. Основные этапы процесса:

1. Подготовка диэлектрического основания
2. Нанесение тонкого слоя меди (химическим осаждением)
3. Нанесение и экспонирование фоторезиста
4. Электрохимическое наращивание меди на незащищенных участках
5. Удаление фоторезиста
6. Быстрое травление тонкого базового слоя меди
7. Нанесение паяльной маски и финишного покрытия

Согласно Таблице 2, полуаддитивный метод часто используется для многослойных печатных плат, так как позволяет получить высокую плотность проводников при хорошей производительности.

Преимущества полуаддитивного метода:

• Возможность получения проводников шириной до 50 мкм с хорошей проводимостью
• Минимальное боковое подтравливание
• Высокая адгезия проводников

Данная технология является оптимальным компромиссом между качеством и стоимостью для плат с высокой плотностью монтажа.

3.4. Формирование и металлизация отверстий

Отверстия в печатных платах служат для монтажа выводных компонентов и создания электрических соединений между слоями. В Таблице 2 представлены методы сверления и металлизации отверстий для различных типов плат.

Основные методы формирования отверстий:

• Механическое сверление: наиболее распространенный метод, используются твердосплавные или алмазные сверла диаметром от 0,1 мм
• Лазерное сверление: используется для тонких плат и микроотверстий диаметром от 0,05 мм
• Плазменное травление: для создания глухих отверстий в многослойных платах

Процесс металлизации отверстий включает несколько этапов:

1. Очистка и подготовка поверхности отверстий
2. Активация поверхности (нанесение катализатора)
3. Химическое осаждение тонкого слоя меди
4. Электрохимическое наращивание меди до требуемой толщины

В современных высокотехнологичных платах используются различные типы отверстий:

• Сквозные отверстия: проходят через всю толщину платы
• Глухие отверстия: соединяют внешний слой с одним или несколькими внутренними
• Скрытые отверстия: соединяют только внутренние слои
• Микроотверстия: имеют диаметр менее 0,15 мм

Качество металлизации отверстий является критическим фактором надежности печатных плат, особенно многослойных. По данным Таблицы 4, обрыв межслойных переходов - один из типичных дефектов МПП.

4.1. Базовые материалы и их характеристики

Базовые материалы для печатных плат состоят из диэлектрического основания и медной фольги. Они классифицируются по типу связующего, наполнителя и характеристикам.

Наиболее распространенные типы базовых материалов:

• FR-2: фенольная смола с бумажным наполнителем, используется для односторонних плат
• FR-3: модифицированная фенольная смола с бумажным или хлопковым наполнителем
• FR-4: эпоксидная смола со стекловолоконным наполнителем, стандарт для большинства плат
• CEM-1: композитный материал с бумажно-стекловолоконным наполнителем
• FR-4 High-Tg: модифицированная эпоксидная смола с повышенной температурой стеклования
• Полиимид: для гибких плат с высокой термостойкостью
• PTFE: политетрафторэтилен для высокочастотных плат

Как видно из Таблицы 3, материалы различаются по электрическим характеристикам: диэлектрической проницаемости (от 2,2 до 7,0) и тангенсу угла потерь (от 0,001 до 0,035).

Температура стеклования (Tg) является важным параметром, определяющим максимальную рабочую температуру платы. Стандартный FR-4 имеет Tg около 130-150°C, в то время как High-Tg материалы - 170-180°C, а полиимид - до 250-350°C.

4.2. Медная фольга и её параметры

Медная фольга является основным проводящим материалом печатных плат. Её параметры значительно влияют на электрические и технологические характеристики плат.

Основные типы медной фольги:

• Электролитическая медь: получается электролитическим осаждением, имеет разные шероховатости сторон
• Катаная медь: получается прокаткой, более однородная структура

Толщина медной фольги, как показано в Таблице 1, варьируется от 9 мкм (для гибких плат) до 105 мкм (для силовых многослойных плат). Стандартные толщины обычно составляют 18, 35 и 70 мкм.

Важными параметрами медной фольги являются:

• Удельное сопротивление
• Прочность сцепления с основанием
• Шероховатость поверхности
• Пластичность
• Чистота металла

Для высокочастотных применений критически важно качество поверхности меди, так как на высоких частотах ток течет преимущественно по поверхности проводника (скин-эффект).

4.3. Диэлектрические материалы

Диэлектрические материалы определяют электрические и механические свойства печатных плат. Их выбор зависит от требований к плате:

• Рабочей частоты
• Рабочей температуры
• Механических нагрузок
• Влажности среды эксплуатации
• Требований к огнестойкости

Как видно из Таблицы 3, диэлектрические материалы различаются по таким параметрам как коэффициент теплового расширения (КТР), который особенно важен для надежности многослойных плат. Большая разница между КТР меди и основания может приводить к отслоениям и растрескиванию переходных отверстий.

Класс горючести материалов (обычно UL94 V-0) гарантирует самозатухание при возгорании, что важно для безопасности электронных устройств.

4.4. Специальные материалы для особых применений

Для специальных применений используются материалы с особыми характеристиками:

• PTFE-композиты (Rogers, Arlon): для высокочастотных и СВЧ-устройств
• Керамические материалы: для высокотемпературных применений
• Алюминиевые подложки (IMS): для силовой электроники с высоким тепловыделением
• Полиимидные пленки: для гибких плат с высокой надежностью

Высокочастотные материалы, как показано в Таблице 3, характеризуются низкой диэлектрической проницаемостью (2,2-3,5) и очень малым тангенсом угла потерь (0,001-0,003), что минимизирует потери сигнала.

Материалы с металлическим основанием для теплоотвода обеспечивают высокую теплопроводность и применяются в силовой электронике, светодиодном освещении и других устройствах с высоким тепловыделением.

5.1. Методы контроля качества

Современное производство печатных плат использует различные методы контроля:

• Визуальный контроль: осмотр платы на наличие видимых дефектов
• AOI (автоматический оптический контроль): автоматизированная система, выявляющая отклонения от эталона
• Электрический контроль: проверка электрических соединений (целостность цепей и отсутствие коротких замыканий)
• Рентгеновский контроль: выявление скрытых дефектов в многослойных платах
• Микрошлифы: анализ качества металлизации отверстий и структуры МПП
• Тесты на устойчивость к термоциклированию: проверка надежности при изменении температуры

Как указано в Таблице 4, для многослойных и гибко-жестких плат применяются комбинированные методы контроля, включая рентген для обнаружения внутренних дефектов.

Современные производства внедряют концепцию тотального контроля качества, где проверка осуществляется на каждом этапе технологического процесса, а не только для готовой продукции.

5.2. Типичные дефекты и их предотвращение

В Таблице 4 приведены типичные дефекты для различных типов печатных плат. Рассмотрим наиболее распространенные из них и методы их предотвращения:

• Отслоение меди: вызвано плохой адгезией или термическими напряжениями. Предотвращается правильной подготовкой поверхности и соблюдением термических режимов.
• Непрометаллизированные отверстия: связаны с дефектами процесса металлизации. Предотвращаются тщательной очисткой отверстий и контролем химических процессов.
• Расслоение МПП: вызвано неправильным прессованием или несовместимостью материалов. Предотвращается оптимизацией режимов прессования и очисткой слоев.
• Обрыв межслойных переходов: связан с термическими напряжениями при пайке или эксплуатации. Предотвращается выбором материалов с согласованным КТР и оптимизацией конструкции отверстий.
• Микротрещины в гибких платах: вызваны механическими напряжениями при изгибе. Предотвращаются оптимизацией конструкции и ограничением радиуса изгиба.

Важным аспектом предотвращения дефектов является контроль технологических параметров: температуры, давления, времени выдержки, состава химических растворов и других.

5.3. Факторы, влияющие на надежность

Надежность печатных плат определяется многими факторами:

• Качество исходных материалов
• Соблюдение технологических режимов производства
• Конструктивные особенности платы
• Условия эксплуатации (температура, влажность, вибрации)
• Режимы пайки компонентов

Как видно из Таблицы 4, срок службы плат варьируется от 5-10 лет для односторонних до 10-25 лет для многослойных. Это связано с более высоким качеством материалов и технологических процессов, применяемых для сложных плат.

Для обеспечения высокой надежности в ответственных применениях используются специальные меры:

• Выбор материалов с повышенной температурной стабильностью
• Усиление конструкции критических участков
• Дополнительная защита от влаги и агрессивных сред
• 100% контроль качества
• Тестирование в экстремальных условиях

5.4. Стандарты и сертификация

Производство печатных плат регламентируется рядом международных и национальных стандартов:

• IPC-A-600: критерии приемки печатных плат
• IPC-6010: квалификация и рабочие характеристики жестких печатных плат
• IPC-6012: требования к жестким многослойным печатным платам
• IPC-6013: требования к гибким и гибко-жестким печатным платам
• IPC-4101: спецификация базовых материалов для жестких печатных плат
• IPC-4562: спецификация медной фольги для печатных плат

Стандарты определяют классы качества печатных плат в зависимости от их назначения:

• Класс 1: потребительская электроника с ограниченным сроком службы
• Класс 2: промышленная и коммерческая электроника
• Класс 3: оборонная и медицинская электроника с высокими требованиями к надежности

Соответствие печатных плат стандартам подтверждается сертификацией производства и выборочным контролем продукции.

6.1. Факторы, влияющие на стоимость

Стоимость производства печатных плат зависит от многих факторов:

• Тип платы и сложность конструкции
• Используемые материалы
• Количество слоев
• Минимальная ширина проводников и зазоров
• Количество и тип отверстий
• Финишное покрытие
• Требуемый класс точности
• Объем партии

Как видно из Таблицы 4, относительная стоимость производства возрастает от односторонних плат (принятых за единицу) до гибко-жестких (10-20 единиц). Это связано с увеличением количества технологических операций и снижением выхода годных.

Для оптимизации затрат важно правильно выбрать тип платы в соответствии с реальными требованиями проекта, не используя избыточные технологии.

6.2. Выход годных и оптимизация производства

Выход годных изделий (процент плат, прошедших контроль качества) является важным экономическим показателем. Согласно Таблице 4, этот показатель снижается с увеличением сложности плат: от 95-98% для односторонних до 75-85% для гибко-жестких.

Основные методы повышения выхода годных включают:

• Автоматизацию производственных процессов
• Внедрение статистического контроля процессов (SPC)
• Оптимизацию конструкции плат с учетом технологических возможностей
• Повышение квалификации персонала
• Внедрение системы менеджмента качества

Экономически оправданным считается производство, обеспечивающее выход годных не менее 80-85% для сложных плат и 90-95% для простых.

6.3. Экологические аспекты производства

Производство печатных плат связано с использованием различных химических веществ, что создает экологические риски. В Таблице 4 приведена оценка экологического воздействия различных типов плат.

Основные экологические проблемы включают:

• Утилизацию отработанных травильных растворов, содержащих медь
• Очистку сточных вод от тяжелых металлов
• Выбросы летучих органических соединений
• Утилизацию отходов производства (обрезки, бракованные платы)

Современные производства внедряют экологически безопасные технологии:

• Регенерацию травильных растворов с извлечением меди
• Замкнутые циклы водопользования
• Использование менее токсичных химикатов
• Переработку отходов с извлечением ценных компонентов

Соответствие экологическим требованиям подтверждается сертификацией по стандартам ISO 14000 и выполнением национальных нормативов.