Реферат: Элементы конструирования печатных плат
Чтобы обеспечить равномерность распределения гальванопокрытия, предотвратить зарастание и подгар одиночных элементов печатного рисунка, следует сбалансировать площади, занимаемые рисунками на обеих сторонах платы и выровнять его распределение по поверхности рабочего поля платы. Это осуществляется путем введения избыточных металлических поверхностей так, чтобы добиться равномерной плотности рисунка по всей плате. Заполнение свободных площадей может производиться либо непрерывными линиями сетки, либо отдельными изолированными элементами печати. При выборе того или другого типа рисунка для балансировки следует иметь в виду, что при нагревах ПП сбалансированность рисунка двух сторон существенно сказывается на короблении платы из-за разницы в механических напряжениях. Широко используемый принцип ортогональности топологии рисунка двух сторон приводит к скручиванию ПП. Несимметричность рисунка слоев в МПП относительно условного центра симметрии структуры слоев неизбежно приводит к заметному короблению.
Шириналамелей концевых печатных контактов должна выбираться с учетом компенсации небольших боковых перемещений платы, имеющих место, вследствие люфтов в направляющих и некоторого бокового смешения контактов в ответной части разъема. Так как контактное покрытие на ламели наносится на завершающей стадии, т.е. после вытравливания рисунка, печатный рисунок должен иметь технологические проводники, соединяющие каждую ламель с шиной металлизации. Край платы, входящий в разъем, имеет фаску, выполняемую после нанесения контактных покрытий, поэтому, чтобы предотвратить его повреждение, край ламели должен немного отступать от края фаски, как показано на рис. 2.8. Край ламели скруглен, чтобы предотвратить отслоение фольги при сочленении ламелей концевых концевого печатного контакта с ответной частью.
3.6 Избирательная лаковая защита
Ряд элементов, монтируемых на ПП, не допускает возможности общей лакировки в составе печатного узла или блока. Например, лаковая защита плат с соединителями, регулировочными элементами требует трудоемких и малонадежных приемов использования антиадгезионных паст и лаков, предусматривающих отделение лака от поверхности и деталей, не подлежащих лакировке. Крепление некоторых элементов связано с необходимостью их установки непосредственно на ПП, что требует создания изолирующей прослойки между металлическими элементами на ПП и корпусом элемента.
При групповой пайке печатных узлов и блоков между печатными проводниками образуются перемычки припоя. Их визуальное выявление и устранение ручным инструментом вносят дополнительную трудоемкость, до 15 мин, к тому же, случаи необнаружения тонких малозаметных закорачивающих перемычек могут приводить к выходу из строя элементов.
Эффективным средством повышения надежности печатных узлов и блоков, снижения трудоемкости производства является селективная лаковая защита, наносимая на ПП до монтажа элементов, методом трафаретной печати или фотохимии. Она представляет собой пленку нагревостойкой эмали или термостойкого сухого пленочного фоторезиста, которая наносится на ПП так, что открытыми остаются только монтажные элементы и незначительная зона вокруг них, обусловленная погрешностями технологического процесса трафаретной печати или фотохимии.
Трудности точного нанесения избирательной лаковой защиты связаны с наличием рельефа печатных проводников на диэлектрическом основании, растеканием краев рисунка, образованного жидкой эмалью, растяжением сетчатого трафарета при продавливании через него краски движущимся ракелем. Гарантировать точность совмещения сетчатого трафарета с платой лучше, чем 0,15 мм – нереально, поэтому современная практика производства должна быть ориентирована на жидкие композиции, поддающиеся фотолитографической обработке, или на термостойкие сухие пленочные фоторезисты, формируемые на плате также методами фотолитографии.
Наслаивание сухого пленочного фоторезиста на рельеф печатного рисунка требует использования специального вакуумного ламинатора, чтобы гарантировать отсутствие газовых полостей по кромкам проводников. Остальные процессы не имеют принципиальных отличий от обычных процессов, связанных с использованием фоторезистов.
Жидкой композиции присуши высокие точности позиционирования и воспроизведения прецизионного рисунка, обеспечивающие заполнение зазоров между монтажными контактными площадками с малыми шагами. Следует, однако, учитывать, что процессы трафаретной печати дешевле и производительнее. Если используются эмали с ультрафиолетовым отверждением, когда время отверждения не превышает 30 с, время, затрачиваемое на нанесение избирательной лаковой зашиты, не превышает 1 мин.
3.7 Деформация печатных плат
Вообще говоря, деформация – естественное явление, свойственное композиционным материалам. Поэтому возможность и ограничение деформации предусматривается ГОСТ 23752. Тем не менее, отклонение формы ПП от плоской не удовлетворяют современным требованиям процессов сборки и монтажа печатных узлов и блоков. Если не будут приняты меры по принудительному выправлению ПП в плоскость, их искривленное состояние будет механически зафиксировано впаянными в них элементами. Особенно жестко фиксируют ПП длинные многовыводные контактные элементы: колодки, разъемы, трансформаторы и т.п. При установке ПП в блоки они вынужденно выпрямляются в плоскость за счет механического крепления или движения в направляющие блока. При этом могут возникать значительные напряжения, завершающиеся разрывом соединений. Характерно, что эти отказы не проявляются немедленно, их возникновение маскируется релаксационными явлениями в связующем диэлектрического основания ПП.
Деформация ПП происходит по многим причинам. Главные из них – это асимметрия структуры слоев МПП, неравномерные усадочные явления в стеклопластиках, из-за разной ориентировки переплетений ткани, неравномерное распределение температуры и момента затвердевания смолы при прессовании, неравномерный нагрев ПП в процессе пайки.
Асимметрия МПП – результат неправильного проектирования: используются односторонние слои, положение печатного рисунка которых относительно основания одинаково по всей структуре МПП, не уравновешен баланс двусторонних слоев, с ортогональной трассировкой проводников, применены разнотолщинные материалы, слои с различной насыщенностью печатного рисунка и разное количество прокладочной стеклоткани, несимметрично распределенные в структуре слоев МПП. В большинстве случаев причиной скручивания ПП является несбалансированность слоев с ортогональной трассировкой проводников.
Такая же асимметрия в структуре слоев МПП может возникать в результате использования материалов из разных партий, отличающихся температурой стеклования, текучестью и содержанием связующего и т.д. Неравномерность усадки эпоксидной смолы, взятой из разных партий материалов, используемых в МПП, – наиболее вероятная причина коробления, когда все другие причины ликвидированы.
В ряде случаев, плату можно попытаться выпрямить, терморихтовкой, т.е. нагревом и охлаждением плат под металлической ретиной. Но, если ее коробление вызвано несимметричностью конструкции, плата все равно вернется к деформированному состоянию.
Значительные деформации ПП могут возникать в процессе пайки, если не использовать приспособления, предотвращающие их искривление. Термомеханические напряжения, зарождающиеся в ПП из-за температурных градиентов, вызывают непредсказуемые коробления, которые не всегда обратимы. Особенно большие градиенты возникают при групповых методах пайки, если в процессе предварительного подогрева ПП не приобрела температуры, равной или немного более температуры стеклования связующего. Резкий перепад температур от стороны пайки в направлении монтажа сопровождается значительными напряжениями сдвига, которые могут вызвать не только коробление ПП, но и ее разрушение.
4. Плотность межсоединений
4.1 Методы увеличения плотности монтажа ПП
Существует четыре пути повышения плотности межсоединений и монтажа компонентов на печатных платах:
• уменьшение размера отверстий и контактных площадок, чтобы высвободить пространство для трассировки проводников;
• увеличение количества трасс между отверстиями за счет уменьшения ширины проводников и зазоров;
• введение многоуровневых межсоединений: отказ от сквозных отверстий в пользу глухих и слепых межслойных переходов;
• увеличение количества слоев.
Следует отметить, что большая часть аппаратуры выполнена с использованием двусторонних печатных плат. Если возникает необходимость в особо плотном монтаже, современные технологии и средства проектирования позволяют обойтись 6… 10 слоями.
4.2 Влияние размеров и форм контактных площадок на плотность трассировки
Существенным сдерживающим фактором увеличения трассировочной способности является большой диаметр контактных площадок вокруг сквозных металлизированных отверстий. По существу, контактная площадка является той мишенью, в которую должно попасть отверстие при сверлении. Для выполнения предназначенных ей функций контактная площадка должна охватывать металлизированное отверстие или, по крайней мере, должна исключать торцевую связь проводника с металлизированным отверстием на ограниченном участке, как показано на рис. 2.9. Надежность торцевой связи гораздо меньше, чем прочность связи контактной площадки с отверстием по окружности, большей 180е.
Поэтому считается, что надежное соединение обеспечивается лишь при наличии гарантированного пояска охвата отверстия контактной площадкой. Его минимальные размеры обычно принимаются равными толщине фольги. Расчет минимального размера контактных площадок производят из условий обеспечения минимальной ширины гарантированного пояска охвата, с учетом всех неизбежных погрешностей производства. Рис. 2.10 показывает соотношение геометрических и позиционных погрешностей, принимаемые в расчете. Грубый расчет размера контактных площадок на твердых основаниях производят, ориентировочно, по формуле:
где J минимальный размер контактной площадки наружного слоя; М–диаметр сверления; К – позиционная точность сверления; N – позиционная точность рисунка; АВ – отрицательный допуск на размер контактной площадки; С – минимальная ширина пояска охвата металлизированного отверстия контактной площадкой наружного слоя.
При расчете контактных площадок тонких оснований – учитывают дополнительные погрешности совмещения: погрешности базирования величин деформаций пленочных фотошаблонов и слоев после травления и прессования.
Некоторый выигрыш в уменьшении размера контактной площадки и соответсвующем увеличении трассировочного пространства можно получить за счет удлинения ее формы в сторону подхода проводника к контактной площадке, как показано на рис. 2.11.
Вообще говоря, контактная площадка, это геометрическое место точек, куда может попасть сверление. Поэтому ее размер должен поглотить это геометрическое место с какой-то вероятностью. Подробно об этом в соответствующем разделе.
Размеры контактных площадок существенно сказываются на трассировочной способности печатных плат. Например, в одном проекте уменьшение диаметра площадок с 1,4 до 1,0 мм позволяет более, чем втрое, увеличить плотность межсоединений, в то время, как уменьшение ширины проводников и зазоров с 0,3 до 0,15 мм позволяет увеличить ее лишь вдвое. Очевидно, что уменьшение диаметра контактных площадок или исключение их вообще может быть более действенным способом увеличения плотности межсоединений, чем уменьшение ширины проводников.
4.3 Уменьшение ширины проводников и зазоров
Очевидно, что уменьшение ширины проводников и зазоров позволяет увеличить количество трасс на каждом слое платы. К такому решению стремятся в производстве интегральных микросхем и печатных плат в течение многих лет. Но, все же, уменьшать ширину проводников бесконечно невозможно. Такое уменьшение ограничено токонесущими свойствами и омическим сопротивлением проводников. Омическое сопротивление, в еще большей мере, сказывается на работоспособности схем, когда они имеют большую длину, что для печатных плат не редкость. Существуют и технологические ограничения на ширину проводников, связанные непосредственно с производственным процессом выход готовой продукции резко падает, если требования к производственным процессам не укладываются в рамки нормальных допусков, определяемых применяемым оборудованием, материалами и параметрами климатической зоны производственных помещений.
Имеются также ограничения и на уменьшение расстояний между проводниками. Их размер определяется, исходя из требований к электрическим характеристикам, например, необходимостью снижения уровня перекрестных помех, минимизацией шумов, создания условий для безыскаженной передачи сигналов и формирования требуемого волнового сопротивления. Для силовой электроники следует считаться с ограничениями по электрической прочности изоляционных зазоров. Напряжение пробоя лакированных плат определяется электрической прочностью лакового покрытия, зазоры между открытыми проводниками на диэлектрическом основании пробиваются по поверхности платы. Электрохимическая форма пробоя не зависит от ширины зазора и не поддается прямому расчету.
Тем не менее, если удалось достичь уменьшения ширины проводников с учетом описанных ограничений, то это позволит эффективно повлиять на плотность и снижение себестоимости производства печатных плат, как показано на примере анализа одного из реальных производств. Видно, что уменьшение ширины дорожек со 150 мкм до 80 мкм позволяет вдвое уменьшить число сигнальных слоев и существенно снизить себестоимость производства печатных плат.
Снижение себестоимости осуществляется за счет снижения материалоемкости печатных плат. Было уже отмечено, что в составляющих себестоимости стоимость материалов стоит в первой строчке. Но эта мера снижения стоимости плат оправдана лишь в том случае, если созданы соответствующие производственные условия для уменьшения размеров проводников и зазоров. Для этого недостаточно иметь хорошее оборудование и материалы, нужны еще особые климатические условия в производственных помещениях, ответственных за этот процесс.
Тогда можно рассчитывать на приемлемый выход годной продукции. В противном случае уменьшение размеров проводников и зазоров или увеличит объем брака, или увеличит объем трудозатрат на исправление дефектов, уменьшит надежность печатных плат. То и другое увеличит себестоимость и, значит, не приведет к желаемому результату.
4.4 Увеличение количества слоев
Сегодня многие производства, желая показать свои достижения, говорят о возможностях изготовления МПП с большим количеством слоев и, соответственно, большой толщины. Действительно, раньше, когда использовались несовершенные САПР, всегда принимались волюнтаристские решения, ведущее прямо к достижению цели: когда на существующих слоях печатной платы не достатовало места для разводки всех необходимых внутрисхемных соединений, добаатяли еще один слой. Теперь, когда вопрос себестоимости приобрел первостепенную важность, при разработке многослойных ПП процесс проектирования направлен на минимизацию числа слоев, потому что каждый новый слой существенно увеличивает себестоимость печатной платы. Табл. 2.5 также демонстрирует, что любое увеличение количества сигнальных слоев в платах, работающих в составе высокопроизводительной или высокочастотной аппаратуры, когда требуется выдержать характеристики линий передач, будет вдвое больше, т. к. для них необходимо экранирование слоями земли и питания, прокладываемые между сигнальными слоями.
4.5 Оценка плотности межсоединений
Растущие конструктивно-технологические требования к печатному монтажу особенно четко установились в области вычислительной техники, поскольку увеличение производительности ЭВМ наряду с увеличением быстродействия элементной базы находится в непосредственной зависимости от возможностей сокращения длины связей между логическими элементами, так называемой конструктивной задержки передаваемого сигнала. Достаточно сопоставить значение времени переключения логических элементов, не превышающее в современных ИС, СИС и БИС единиц наносекунд, с временем распространения сигнала в печатных линиях связи, составляющем 6…7 нс/м, чтобы показать, что главной составляющей временных задержек в электронных устройствах современного и перспективного типов являются задержки в межсоединениях. Отсюда следует, что повышение быстродействия логических элементов должно сопровождаться максимально возможным снижением задержек в межсоединениях, т.е. сокращением их длины. Это достигается повышением степени интеграции логических элементов и более плотной компоновкой микросхем на платах.
