Глава 3

ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ, ГИБКИЕ ШЛЕЙФЫ И КАБЕЛИ

3.1. Методы изготовления печатных плат

В настоящее время выпускаются односторонние, двусторонние, многослойные и гибкие печатные платы. К гибким печатным пла­там следует отнести и гибкие печатные шлейфы и кабели. Суще­ствуют различные методы изготовления печатных плат [20]. К наиболее прогрессивным относятся гальванохимический метод, ме­тод химического травления фольгированного диэлектрика, метод переноса изображения с запрессовкой в изоляционное основание, комбинированные методы.

Для изготовления односторонних и двухсторонних Печатных плат используется гальванохимический и комбинированной (нега­тивный или позитивный) методы. Гальванохимический Метод при­меняется при производстве односторонних плат без металлизации отверстий для аппаратуры общего назначения. Наибольшее рас­пространение в производстве двусторонних печатных плат полу­чил комбинированный позитивный метод, который по сравнению с негативным имеет следующие преимущества: отсутствие воздейст­вия электролитов на диэлектрическое основание платы, что дает возможность получать лучшие электрические характеристики и лучшую адгезию проводников с диэлектриком; более высокое ка­чество металлизации, простота оснастки при гальванической ме­таллизации, возможность механизации технологического процесса.

Достоинством односторонних и двусторонних печатных плат являются простота и низкая трудоемкость изготовления В то же время этим платам присущи такие недостатки, как низкая плот­ность размещения навесных элементов, необходимость дополни­тельной экранировки, большие габариты и значительная масса.

При использовании многослойных печатных плат можно суще­ственно увеличить плотность монтажа путем добавления слоев без заметного увеличения габаритов. Важным преимуществом многослойного печатного монтажа является размещение экрани­рующих слоев непосредственно в печатной плате. Металлический экранирующий слой может находиться между любыми внутренни­ми слоями или на наружных поверхностях. Экранирующие слои мо­гут быть соединены с конструктивными деталями рамы для улуч­шения теплоотвода. Многослойный печатный монтаж может быть защищен от механических повреждений и внешних воздействий нанесением дополнительного слоя диэлектрика. Однако основными преимуществами многослойного печатного монтажа являются эко­номия объема при использовании узких и тонких токопроводящих металлических соединений и малогабаритных разъемов и потен­циально высокая надежность.

В то же время многослойным печатным платам присущи сле­дующие недостатки: более жесткие допуски на размеры по срав­нению с допусками на размеры обычных печатных плат; большая трудоемкость проектирования; необходимость специализированно­го технологического оборудования; длительный технологический цикл и сложный процесс изготовления; необходимость тщательно­го контроля практически всех операций, начиная с изготовления оригиналов и кончая упаковкой готовой платы в промежуточную технологическую тару для передачи ее в монтажный цех, причем визуальный контроль труден или невозможен; высокая стоимость; низкая ремонтопригодность. Однако в аппаратуре, для которой обеспечение минимальных габаритов и массы, а также максималь­но вЬзможнои надежности является основным требованием, мно­гослойные печатные платы незаменимы.

В технологии изготовления многослойных печатных плат су­ществуют два направления: изготовление с применением гальвано- химичесвдх процессов для получения межслойных соединений ме­тодом металлизации сквозных отверстий, методом попарного прес­сования иди послойного наращивания; изготовление плат без меж­слойных соединений и получение их последующей сваркой или пайкой (метод открытых контактных площадок и метод высту­пающих выводов). Наиболее перспективным и широко примени­мым является метод металлизации сквозных отверстий. Он поз­воляет изготовлять платы с 10—16 слоями, механизировать про­цессы изготовления плат и сборки ячеек, обладает сравнительно невысокой трудоемкостью.

Остальные методы изготовления многослойных печатных плат не нашли широкого применения. Метод послойного наращивания наиболее трудоемок и длителен, а следовательно, нетехнологичен и при новых разработках его применять не следует. Методы высту­пающих выводов и открытых контактных площадок с точки зре­ния технологичности изготовления многослойных печатных плат просты, так как не используют гальванохимических операций, но в дальнейшем приводят к повышению трудоемкости сборочных операций, таких как гибка и разводка выводов ИС. Для назван­ных методов характерны невысокая плотность монтажа, ограни­ченная применяемость ИС (только в корпусах с планарными вы­водами) .

С целью повышения процента выпуска годных плат, примене­ния на предприятиях единого унифицированного технологического •оборудования и снижения трудоемкости изготовления печатных плат на предприятиях происходит переход на единую базовую тех­нологию изготовления, которой является: химический метод — для •односторонних плат; комбинированный позитивный метод — для двусторонних плат; полуаддитивный метод — для двусторонних плат с повышенной плотностью монтажа; метод металлизации сквозных отверстий — для многослойных печатных плат

Перспективы и пути совершенствования технологии изготовле­ния печатных плат заключаются в разработке экономически вы­годных и технически оправданных методов производства на базе прогрессивных технологических процессов с применением новых материалов К числу важнейших свойств материалов, используе мых для печатных плат, относятся хорошая технологичность, поз­воляющая легко перерабатывать их в процессе производства, вы­сокие электрофизические, физико-механические и физико-химичес­кие параметры, а также такие свойства, как устойчивость к воз­действию ионизации, радиационная стойкость, способность рабо­тать в условиях вакуума. Материалы основания должны обеспе­чивать хорошую адгезию с токопроводящими покрытиями, мини­мальное коробление в процессе производства и эксплуатации.

Различные материалы в разной степени отвечают поставлен­ным требованиям. Особенно существенно отличаются свойства не­органических и органических полимерных материалов. Неоргани­ческие материалы характеризуются высокой нагревостойкостыю, низким температурным коэффициентом расширения, хорошими ди­электрическими свойствами, влагостойкостью и отсутствием или очень малым выделением летучих продуктов в процессе воздейст­вия эксплуатационных температур. Некоторые из них имеют вы­сокую теплопроводность, особенно керамика, содержащая окись бериллия. Основные трудности при использовании керамических материалов возникают при их механической обработке. В этом от­ношении большими преимуществами обладает материал из слюды со стеклянным связывающим составом, однако он относительно дорог. Отмеченные недостатки неорганических материалов приво­дят к их редкому использованию при изготовлении печатных плат.

Широкое применение при изготовлении печатных плат получи­ли органические полимерные материалы '[20]. Это объясняется большим разнообразием технологических приемов их переработ­ки и возможностью регулирования в широком диапазоне практи­чески всех наиболее важных технологических и эксплуатационных свойств. Наиболее важными являются электрические и механичес­кие свойства, теплостойкость, влагостойкость, нагревостойкость, количественный и качественный состав летучих продуктов, выде­ляемых при воздействии эксплуатационных температур.

Наиболее распространенные материалы при изготовлении пе­чатных плат — гетинакс и стеклотекстолит. Гетинакс представля­ет собой слоистый прессованный материал из нескольких слоев бумаги, пропитанной фенолоформальдегидной, крезолоформальде- гидной либо ксинолоформальдегидной смолой или их смесями. Этот материал обладает высокой электрической прочностью и ста­бильностью диэлектрических свойств, хорошо поддается механи­ческой обработке: расплавке, сверлению, точению фрезерованию Используется как электроизоляционный материал для печатных плат, изготовляемых гальванохимическим способом. Стеклотексто­лит — слоистый пластик, состоящий из стеклоткани, пропитанной модифицированной фенолоформальдегидной смолой. Листовой стеклотекстолит поддается всем видам механической обработки, а также склеиванию.

Для изготовления многослойных печатных плат применяются главным образом фольгированные диэлектрики. Для фольгирова- ния, как правило, используется медь, иногда алюминий и никель. Алюминий уступает меди из-за плохой паяемости. Основным не­достатком никеля является его высокая стоимость. Среди фольги- рованных диэлектриков следует отметить фольгированный гети­накс, фольгированный стеклотекстолит, низкочастотный фольги­рованный диэлектрик, фольгированный армированный фторопласт. В последнее время для изготовления многослойных печатных плат все большее применение находят полиимидные материалы. По сравнению со стеклоэпоксидными пластиками полиимидные ма­териалы допускают работу при более высокой температуре, бла­годаря хорошей гибкости более удобны для производства. Фольги- рованные полиимидные пластики изготовляются прессованием, прокаткой между валками, нанесением слоя смолы на фольгу.

Слоистые материалы относительно малочувствительны к про­никновению влаги. Но и малое проникновение влаги может ока­зать существенное влияние на работоспособность аппаратуры. Вла­га проникает в материал главным образом через торцевые части платы. Однако, если поверхность платы имеет механические или химические повреждения, абсорбция может происходить и через поверхность. Поэтому для устранения влияния влаги на работу печатных плат и придания ячейке большей механической прочнос­ти рекомендуется использовать защитные покрытия.

Надежное защитное покрытие для печатных плат должно об­ладать хорошими влагозащитными и диэлектрическими свойства­ми. Как правило, используются: покрытие односторонней платы только со стороны печатных проводников, при этом защищают проводящие дорожки и обрезанные края платы; двустороннее по­крытие печатной платы, в том числе и компонентов; заливка блока в целом. Первые два метода предпочтительнее для ремонтопри­годных плат; в этом случае целесообразно использовать прозрач­ное покрытие. Третий способ обычно применяют для неремонто­пригодных плат.

В настоящее время число материалов, применяемых для пок­рытия печатного монтажа со стороны проводников, очень велико. Многие из них хорошо совместимы с пайкой, т. е. их не надо уда­лять перед пайкой для присоединения или отпайки компонентов. Покрытия наносят распылением при маскировании контактов. Ча­ще всего для покрытия используются лаки на основе алкидных стиреновых смол или быстросохнущие модифицированные феноль- ные смолы. Эти лаки высыхают на воздухе, они достаточно хоро­шо совместимы с канифольными флюсами. Одним из недостатков лаков является то, что они выделяют органические пары, вызы­вающие коррозию используемых металлов.

Кремнийорганические лаки обладают хорошими свойствами и применяются в случаях, когда требуется максимальная тепловая долговечность. Однако они относительно непрочны механически и неустойчивы к некоторым растворителям. Винильные лаки обра­зуют плотные пленки с характеристиками, удовлетворяющими ме­ханическим и электрическим требованиям.

Очень популярны лаки на основе эпоксидной смолы: они дол­говечны, обладают хорошей адгезией к соответствующим образом подготовленным поверхностям и отличными электрическими свой­ствами. Однако они не позволяют создать ремонтопригодные по­крытия, поскольку их трудно удалять, и адгезия между отдельны­ми слоями при многослойном покрытии может быть плохой.

Из современных органических материалов для покрытий наи­большее распространение получили акрилы, полиуретаны и изоме- ризованная резина. Акриловые лаки по общим характеристикам аналогичны виниловым. Они влагоустойчивы и имеют хорошие электрические свойства, однако их стойкость по отношению к не­которым растворителям недостаточно велика. Такие лаки не пре­пятствуют пайке. Полиуретаны очень разнородны. Следует иметь в виду, что при высокой влажности их свойства хуже, чем у ма­териалов, полученных на основе двухкомпонентной системы. Пос­ледние создают на основе полиэфирной смолы, смешанной с изо- цианатными компаундами непосредственно перед использованием. Такие материалы обладают хорошей стойкостью к растворителям и внешним воздействиям, а также имеют хорошие электрические свойства.

Все лаки можно использовать для покрытия печатных плат ме­тодами погружения или распыления. Для защиты можно приме­нять также парафины и другие изолирующие материалы, напри­мер раствор кремнийорганических полимеров в ксилене, который высыхает на воздухе и образует прозрачную воскообразную гиб­кую пленку с хорошими гидрофобными и диэлектрическими свой­ствами.

В литературе сообщалось о применении в качестве основания печатной платы анодированных алюминиевых пластин, окисная пленка которых обладает хорошими электроизоляционными свой­ствами. Применение металла в качестве основания многослойных печатных плат обеспечивает надежное крепление деталей, хоро­ший теплоотвод, заземление; плата может иметь самую разнооб­разную форму: угловую, ступенчатую, цилиндрическую. Элементы конструкции такой платы удовлетворяют тем же требованиям, что и элементы конструкций плат на изоляционном основании.

Каждый метод изготовления печатных плат предъявляет к эле­ментам их конструкции определенные технологические требования. Например, при изготовлении печатных проводников электрохими­ческим методом должны быть предусмотрены технологические про­водники, соединяющие весь монтаж между собой накоротко для обеспечения возможности отложения металла на всех соединени­ях схемы, а также намечены пути их разъединения на необходи­мые отдельные проводники. Это требует дополнительных техноло­гических отверстий на плате или каких-либо других мер.

Химический метод применяется для изготовления печатных плат из одностороннего фольгированного диэлектрика, чаще все­го гетинакса. Как правило, изготовление плат осуществляется на универсальных механизированных линиях, состоящих из отдель­ных автоматов и полуавтоматов, последовательно выполняющих операции технологического процесса. Для максимальной механи­зации и автоматизации процесса все печатные платы изготовля­ются на технологических заготовках одного габарита, на которых может быть скомпоновано до трех и более плат, т. е. использу­ется метод групповой обработки.

Схематическое изображение односторонней печатной платы приведено на рис. 3.1. При конструировании печатных плат, из­готовляемых химическим методом, следует учитывать, что мон-