Реферат: Элементы конструирования печатных плат
Сейчас, при преимущественном использовании импортных компонентов с дюймовой метрической системой, повсеместно перешли на, так называемую, дюймовую сетку с шагом основной координатной сетки 2,54 мм. Однако и современные импортные компоненты с матричной системой выводов начинают приобретать шаги в метрической системе измерений. Поэтому нужно быть готовым к смешению систем измерений и простановки размеров. В этом случае, при переходе от дюймовой системы к метрической нужно проставлять размеры с округлением до знака, соответствующего допуску на проставляемый размер. Неправомерно, например, переводить дюймовый размер 1/8» в метрический, как 3,175 мм, если допуск на этот размер проставляется ±0,1 мм. Значение этого метрического размера нужно округлить до 3,2 мм.
3. Элементы проводящего рисунка
3.1 Печатные проводники
Размеры печатных проводников по длине и ширине выбираются с позиций обеспечения электрических требований по плотности тока, омическому сопротивлению, реализации специальных электрических параметров и механической устойчивости. С другой стороны, эти требования должны соответствовать разрешающей способности печатного рисунка. Последнее обстоятельство определяется принятым методом изготовления печатной платы и адгезионными свойствами базового материала.
Современные фоторезисты имеют достаточно высокую разрешающую способность, соизмеримую с толщиной фоторезиста. Лучшую разрешающую способность имеют жидкие позитивные фоторезисты: 25 линий на миллиметр. Сухие пленочные фоторезисты – 10…20 линий на миллиметр. Поэтому ограничения по минимальной ширине проводников возникают не на этапе получения фоторезистивного рисунка, а на технологических операциях изготовления металлического рисунка печатной схемы.
Негативному способу получения рисунка печатной схемы свойственно незначительное уменьшение ширины проводника в результате бокового подтравливания меди. Величина подтравливания обычно соизмерима с толщиной фольги и зависит от характера травящего раствора, способа и времени травления. При использовании тентинг-метода глубина травления складывается из толщин фольги и гальванического осаждения, поэтому воспроизводимость рисунка оказывается не лучше, чем 0,15/0,15 мм.
При позитивном методе изготовления печатных плат разрешающая способность несколько ухудшается за счет наличия гальванической пары: медь – металлорезист. Но глубина травления здесь меньше чем при тентинг-методе, но несколько больше, чем при химическом методе на толщину гальванической затяжки.
3.2 Металлизированные отверстия
Металлизированные отверстия выполняют роль монтажного элемента или межслойного соединения. Диаметры сквозных монтажных отверстий для выполнения нормальных условий пайки должны быть на 0,2…0,4 мм больше диаметра вывода радиоэлемента. Вместе с этим гальваническое покрытие получается удовлетворительным при определенном соотношении между диаметром отверстия и толщиной платы. Это соотношение связано с рассеивающей способностью электролитов и, отчасти, с режимами гальванического осаждения.
Переходные сквозные отверстия должны быть отделены от монтажных контактных площадок, чтобы предотвратить вытекание припоя с монтажных поверхностей.
Неглубокие глухие отверстия и тем более металлонаполненные глухие отверстия могут выполняться в монтажных контактных площадках.
В процессе эксплуатации ПП, в составе аппаратуры металлизация отверстий постоянно испытывает переменные во времени термомеханические напряжения, вызванные разностью в термическом расширении меди и диэлектрического основания. Устойчивость к термомеханическим нагрузкам обеспечивается соответствующей толщиной и пластичностью металлизации отверстий. ГОСТ 23752 устанавливает среднее значение толщины медной металлизации в отверстии 25 мкм при возможном минимальном значении 20 мкм. Это значение толщины металлизации установилось в процессе многолетней практики изготовления и эксплуатации ПП с отношением толщины ПП к диаметру отверстия 1…3. Действительно, анализ отказов металлизированных переходных отверстий, не заполненных припоем, показывает, что при толщине металлизации около 7 мкм отказ соединения неизбежно возникает, при толщине 15 мкм вероятность отказа примерно 0,9. И только толщина 20 мкм обеспечивает надежность соединений в течение длительного периода эксплуатации аппаратуры. Поэтому основное условие гарантий надежности соединений по металлизированному отверстию состоит в том, что толщина медного гальванопокрытия без дефектов не должна быть менее 20…25 мкм. Чтобы не допустить дефектов металлизации в виде незначительных не металлизированных участков, создающих очаги повышенной концентрации напряжений, толщину металлизации увеличивают до 30…35 мкм.
Металлизация монтажных отверстий участвует в теплопередаче в процессе пайки. Поэтому для удовлетворительного пропая, желательно, чтобы толщина металлизации была тем больше, чем глубже сквозное отверстие. Дефекты металлизации в виде кольцевых утончений или трещин неизбежно приводят к непропаю, так как создают заметные препятствия для теплопереноса.
Увеличение толщины печатной платы сверх отношения толщины к диаметру 4:1 приводит к значительным осложнениям в обеспечении надежности металлизированных отверстий, так как они менее устойчивы к воздействию термомеханических напряжений.
3.3 Монтажные контактные площадки. Финишные покрытия
Разнообразие финишных покрытий настолько велико, что приходится говорить о том, что ни одно из них не удовлетворяет всему комплексу требований к пайке и длительному сохранению способности к пайке.
В технологии печатных плат финишные покрытия формируются одним из двух методов: из металлорезиста, используемого при травлении рисунка, и специальным осаждением покрытия под пайку на монтажные поверхности. Гальванические покрытия металлорезистами при травлении окисляются настолько, что приходится применять для них специальные процессы дезоксидации. Для легкоплавких металлорезистов можно использовать оплавление, и тем самым, значительно улучшать способность к пайке. Поскольку медь проводников образует с оловом интерметаллиды, из-за которых исчезает способность к пайке, под металлорезистом формируют барьерный подслой, например, никеля. Тогда способность к пайке сохраняется достаточно длительный срок, даже без оплавления олова-свинца. Поскольку, кроме способности к пайке, приходится считаться и с устойчивостью металлорезистов к травящим растворам. Выбор финишных покрытий имеет вариантность.
Вариант 1. Если предпочтение отдано схеме процесса, по которой для защиты при травлении рисунка используется металлорезист, в выборку попадают сплав олово-свинец, олово, никель, палладий и серебро. Из них, по паяемости без оплавления, лучшими могут быть олово, палладий и серебро. По устойчивости к электрохимическим отказам выгодно отличаются палладий и олово. По стоимости – предпочтительней олово.
Травление меди по оловянному металлорезисту осуществляется в аммиачном комплексе хлорной меди – универсальном травящем растворе, пригодном, в том числе, для травления меди по фоторезисту.
Таким образом, для первого варианта в качестве металлорезиста и покрытия под пайку целесообразно использовать олово и, соответственно, в качестве травителя – аммиачный комплекс хлорной меди.
Вариант 2. Если требуется изготавливать платы не выше 4 класса точности по тентинг-процессу, в качестве финишного покрытия, как правило, используют горячее облуживание по паяльной маске. Но горячее облуживание неизбежно оставляет на поверхности монтажных площадок наплывы с неопределенной высотой от 0 до 0,3 мм. При установке чипов и компонентов в корпусе, типа BGA, эта разновысотность не позволяет реализовать установку таких компонентов. Горячее облуживание плат становится неприемлемой.
Альтернативой облуживанию являются иммерсионные покрытия оловом и золотом. Поскольку эти покрытия принципиально тонкие, они требуют использования барьерных подстоев, что несколько удорожает процесс. Тем не менее, он остается и надежней, и дешевле процесса горячего облуживания.
В последнее время начинают использовать покрытия органическими ингибиторами, сохраняющими способность плат к пайке в течение длительного времени.
3.4 Контактные покрытия
Разъемные электрические соединения, образованные концевыми печатными контактами с розетками соединителей, в соответствии со своим назначением должны иметь высокую поверхностную
проводимость в условиях воздействия агрессивных компонентов промышленной атмосферы и среды обитания людей, отличающейся относительно высоким содержанием аммиака и его соединений, сернистых соединений, жировой аэрозоли и других, обладать устойчивостью к многократным сочленениям-расчленениям, паяемостью. Основные проблемы в выборе контактных покрытий состоят в обеспечении надежности контактов, которые должны одинаково хорошо работать в условиях как малых, так и больших токовых нагрузок.
Развитие электронной техники привело к снижению коммутируемых контактами нагрузок; а миниатюризация – к уменьшению контактных давлений, к переходу от притирающихся разъемных соединений к нажимным, коммутирующим нагрузки от «сухих» до долей ампера, при напряжениях от микровольт до нескольких вольт, при малых усилиях нажатия, приходящихся на один контакт. Характерными особенностями режима работы концевых печатных контактов являются длительное замкнутое состояние с кратковременными перерывами и единичные включения с длительными перерывами.
Электрическое сопротивление контакта при очень малых нагрузках значительно больше, чем при больших, и более критично к изменению тока в контактной цепи. Кроме того, при малых нагрузках всегда имеется вероятность сбоев, т.е. самовосстанавливающихся отказов, возникающих по случайным причинам.