Печатные платы что это и их назначение?

Исторический путь печатной платы

Электронные печатные платы отметили начало пути становления и развития системами электрических соединений, разработанных в середине XIX века.

Металлические полосы (стержни) изначально применялись для подключения громоздких электрических компонентов, смонтированных на древесном основании.

Постепенно металлические полосы вытеснили проводники с винтовыми клеммными колодками. Деревянную основу тоже модернизировали, отдав предпочтение металлу.

КЛЕММНАЯ

Примерно таким выглядел прототип современного производства ПП. Подобные решения конструирования применялись в середине XIX века

Практика применения компактных, малых по размерам электронных деталей, требовала уникального решения по базовой основе. И вот, в 1925 году некто Чарльз Дюкасс (США) нашёл такое решение.

Американский инженер предложил уникальный способ организации электрических связей на изолированной пластине. Он использовал электропроводящие чернила и трафарет для переноса принципиальной схемы на пластину.

Чуть позже — в 1943 году, англичанин Пол Эйслер также запатентовал изобретение травления токопроводящих контуров на медной фольге. Инженер использовал пластину-изолятор, ламинированную фольгированным материалом.

Однако активное применение технологии Эйслера отметилось лишь в период 1950-60 годов, когда изобрели и освоили производство микроэлектронных компонентов — транзисторов.

Технологию изготовления сквозных отверстий на многослойных печатных платах запатентовала фирма Hazeltyne (США) в 1961 году.

Так, благодаря увеличению плотности электронных деталей и тесному расположению связывающих линий, открылась новая эра дизайна печатных плат.

Технические характеристики

Чтобы иметь общее представление о возможностях, конструкции, предназначении оснований для создания электроники, необходимо знать их технические характеристики:

* тип — многослойные, однослойные, гибкие, жёсткие;

* проводящие слои — до 18 штук;

* максимальные габариты — для многослойных 610х470 мм, односторонние 1200х457 мм, гибкие 5000х340 мм;

* максимальная плотность — 3,2 мм;

* ширина токопроводящих дорожек — от 25 до 75 мкм;

* максимальная плотность наружных слоёв фольги — 400 мкм;

* максимальная плотность внутренних слоёв фольги — 105 мкм;

* допустимый диаметр для сверления — 6.35 мм.

Существует несколько видов финишных покрытий, которые выбираются зависимо от предназначения основания, требуемых характеристик. К ним относятся:

* лужение свинцом;

* лужение без свинца;

* иммерсионное серебро;

* органическое покрытие;

* иммерсионное золочение;

* иммерсионное олово.

Контакты покрываются гальваническим золотом.

Устройство

Печатная плата состоит из основы, которая не проводит электричество, и электропроводящих схем. К этим схемам прикрепляются различные электронные компоненты. Метод крепления зависит от устройства. Наиболее распространенный метод соединения – пайка. Существуют также другие варианты соединения. Например, на поверхность материнской платы компьютеров крепятся порты, в которые вставляются, так называемые, платы расширений. К ним относится оперативная память. Она также является печатной платой.

Виды печатных плат

Основания для изготовления электроники разделяются на несколько видов. Они отличаются по конструкции, характеристикам, предназначению. Разновидности плат:

1. Односторонние — конструкции представляющие собой диэлектрические пластинки, на которые с одной стороны нанесён токопроводящий рисунок. Для соединения отдельных контактов на верхнем диэлектрическом слое закрепляются металлические перемычки. Односторонние основания используются при изготовлении недорогой бытовой техники. Связано это с их малой надёжностью, недолговечностью, хрупкой конструкцией.

2. Двухсторонние — на диэлектрическим слое с двух сторон наносятся токопроводящие рисунки, что позволяет устанавливать на основание большее количество электрических элементов, расширить функционал, технические характеристики платы. Отверстия имеют металлизированные вставки. Благодаря им прочность скрепления отдельных деталей с основанием становится надёжнее. Двухсторонние

пластинки считаются наиболее популярными при изготовлении бытовой электроники, компьютеров.

3. Однослойные — элементарная конструкция, состоящая из одной пластинки, прослойки покрытой металлом.

4. Многослойные — сложные конструкции, которые используются при изготовлении сложных приборов, механизмов. Несколько слоёв, расположенных в определённой последовательности, позволяют надёжно закреплять основные компоненты. Количество слоёв выбирается зависимо от требуемых характеристик. Максимальное количество — 40. У многослойных оснований есть ряд недостатков. Это сложности во время изготовления, сложный процесс починки, дороговизна расходных материалов.

5. Гибкие — могут быть односторонними, двухсторонними, иметь несколько слоев. Изготавливаются на гибком основании. Предназначены для соединения отдельных элементов электрического оборудования. Могут заменять собой кабеля.

6. Гибко-жесткие — конструкция представляет собой шлейф, на котором в определённых местах закрепляются жесткие пластинки, с нанесёнными на них токопроводящими рисунками. Используются для соединение жестких плат между собой. Обеспечивают надёжную связку.

7. Жёсткие — плитки, выполненные из жёстких слоев, которые не дают платам деформироваться. Простой пример жёсткого основания — материнская плата, устанавливаемая в компьютерах.

8. Теплопроводные — другие названия этих пластинок ВЧ, СВЧ. Во время изготовления основания используется керамика, чтобы оно выдерживало воздействие высоких температур. Дополнительно керамика повышает жёсткость конструкции.

Зависимо от вида плат изменяются их характеристики, внешний вид, размер, возможности.

Я удивлялся, почему бы не купить готовое оборудование. Но приходится смириться. В банках требования к безопасности на порядок выше. Введенный с панели пароль должен сразу же фиксироваться на сервер безопасности банка. Любое действие либо его отсутствие должны быть зафиксированы. Потому, весь техпроцесс проектируется с нуля самим банком. Впрочем, ничего удивительного.

Под терминалы, настенные кодовые панели и прочие элементы разрабатывается индивидуальный проект, заказываются электронные элементы. После их проработки следует обращение к разработчикам печатных плат, которые прорабатывают проект и размещают все элементы на проработанном диэлектрике.

Готово. Выглядит просто, на самом деле проработка подобного проекта и полная его реализация может занять много времени. Впрочем, изготовление печатных плат при налаженном техпроцессе происходит быстро. Большая часть времени — создание проекта, спецификаций и модификации на основе результатов работы опытного образца.

Точнее сказать довольно трудно. В данной сфере специалистом не являюсь. Но тема довольно интересная и стоило бы посвятить ей чуть больше внимания. Спасибо, надеюсь, вам было интересно ознакомиться. На сайте выше вы сможете найти гораздо больше информации по данному вопросу.

Электронная печатная плата – изготовление

Обобщённое видение процесса: отдельно взятые электронные детали распределяются по всей площади подложки-изолятора. Затем установленные компоненты связываются пайкой с цепями схемы.

Так называемые контактные «пальцы» (штырьки) электронной платы располагаются по крайним областям подложки и выступают системными разъемами.

ГЕТИНАКС

Современный прообраз изделий XIX века. Кардинальные технологические изменения очевидны. Однако это не самый совершенный вариант из ассортимента текущего производства

Через контактные «пальцы» организуется связь с периферийными печатными платами или подключение внешних цепей управления. Электронная печатная плата рассчитана под разводку схемы, поддерживающей одну функцию или одновременно несколько функций.

Изготавливаются три вида электронных печатных плат:

1. Односторонние.
2. Двусторонние.
3. Многослойные.

Односторонние печатные электронные платы отличаются размещением деталей исключительно на одной стороне. Если комплектные детали схемы не вмещаются на односторонней плате, применяется двухсторонний вариант.

Материал изготовления подложки

Подложка, традиционно используемая в составе печатных электронных плат, обычно делается на основе стекловолокна в сочетании с эпоксидной смолой. Подложка покрывается медной фольгой по одной или двум сторонам.

Печатные платы электроники, изготовленные на основе бумаги с фенольной смолой, также покрытые плёночной медью, считаются экономически выгодными для производства. Поэтому чаще других вариаций используются под оснащение бытовой электронной техники.

ПЛАТА

Материалы печатной платы электроники: 1 — диэлектрический материал; 2 — верхнее покрытие; 3 — материал сквозных отверстий; 4 — маска припоя; 5 — материал кольцевого контура

Разводка связей выполняется методом покрытия, либо методом травления медной поверхности подложки. Медные дорожки покрывают оловянно-свинцовым составом с целью защиты от коррозии. Контактные штыри на печатных платах покрывают слоем олова, затем никеля и под завершение золотят.

Выполнение операций на обвязку

Электрические соединения по двум сторонам подложки достигаются сквозным сверлением отверстий согласно схемной разводке. Затем высверленные отверстия изнутри покрывают токопроводящим материалом.

Многослойная электронная печатная плата характерна наличием подложки, состоящей из нескольких слоёв печатных схем. Каждый слой отделён от соседнего слоя вставкой-изолятором.

Электронные компоненты связываются через отверстия платы, просверленные до границы целевого слоя. Детали печатной электронной платы электрически объединяются одним из двух способов:

1. Сквозными отверстиями.
2. Поверхностным монтажом.

Согласно технологии сквозных отверстий, каждая электронная деталь наделяется микро-проводниками. Эти микро-проводники проходят сквозь отверстия в подложке, подводятся к схемным точкам противоположной стороны и спаиваются.

Сверление отверстий на рабочей площади ПП: 1 — отверстия без контактной связи между сторонами (слоями); 2 — отверстия с покрытием для контактной связи; 3 — медная обечайка связывающих отверстий

Технология поверхностного монтажа предполагает использование прямой (J-образная) или угловой (L-образная) ветвей. За счёт таких ветвей каждая электронная деталь напрямую обвязывается с печатной схемой.

Применением комплексной пасты (клей+флюс+припой) электронные детали временно удерживаются в точке контакта. Удержание продолжается до момента, когда печатная электронная плата заводится в печь. Там припой плавится и соединяет схемные детали.

Несмотря на сложности с размещением компонентов, технология поверхностного монтажа обладает другим важным преимуществом.

Эта методика исключает длительный процесс сверления и внедрение связывающих прокладок, как это практикуется для устаревшего метода сквозных отверстий. Однако обе технологии продолжают активно использоваться.

Дизайн электронных печатных плат

Каждая отдельно взятая печатная плата электроники (партия плат) предназначена под уникальный функционал. Разработчики электронных печатных плат обращаются к системам проектирования и специализированному «ПО» для компоновки схемы на печатной плате.

ПЕЧАТНАЯ

Структура фоторезистивного покрытия: 1 — пластиковая плёнка; 2 — сторона наложения; 3 — чувствительная сторона фоторезистивной панели

Разрыв между токопроводящими дорожками обычно измеряется значениями не более 1 мм. Рассчитываются точки расположения отверстий для компонентных проводников или контактных точек.

Вся эта информация переводится под формат ПО компьютера, управляющего сверлильным станком. Аналогичным образом программируется автоматический паяльник для изготовления электронных печатных плат.

Как только схема цепей выложена, негатив изображения схемы (маска) переносится на прозрачный лист пластика. Области негативного изображения, не входящие в образ схемы, отмечены черным цветом, а непосредственно схема остаётся прозрачной.

Травление и очистка дорожек от маркера

Теперь самое интересное – травление платы. Тут есть несколько нюансов, о которых мало кто упоминает, но они существенно влияют на качество результата. В первую очередь готовим раствор хлорного железа согласно рекомендациям на упаковке. Обычно порошок разбавляется водой в соотношении 1:3. И тут первый совет. Сделайте раствор более насыщенным. Это поможет ускорить процесс, и нарисованные дорожки не отвалятся прежде, чем вытравится все необходимое.
Сразу же совет второй. Ванночку с раствором рекомендуется погрузить в горячую воду. Можно нагреть ее в металлической посуде. Повышение температуры, как известно еще со школьной программы, значительно ускоряет химическую реакцию, которой травление нашей платы и является. Сокращение времени процедуры нам на руку. Нанесенные маркером дорожки достаточно нестабильны, и чем меньше они будут киснуть в жидкости, тем лучше. Если при комнатной температуре плата в хлорном железе травится около часа, то в теплой воде этот процесс сокращается до 10 минут.
В завершение еще один совет. В процессе травления, хоть он и так ускорен за счет подогрева, рекомендуется постоянно двигать плату, а также счищать продукты реакции щеточкой для рисования. Совмещая все вышеописанные манипуляции вполне возможно вытравить лишнюю медь всего за 5-7 минут, что является просто отличным результатом для этой технологии.
В конце процедуры плату нужно тщательно промыть под проточной водой. Затем просушиваем ее. Остается только смыть следы от маркера, все еще закрывающие наши дорожки и пятачки. Делается это все тем же спиртом или ацетоном.

Подготовка чертежей печатной платы.

Вручную удобнее всего выполнять чертеж печатной платы в масштабе 1:1 на бумаге от самописцев ( имеет клетку со стороной 2.5 мм, в “шаге” микросхем), если таковой нет, то можно “отксерить” школьную бумагу “в клеточку” с уменьшением в 2 раза, в самом крайнем случае можно использовать обычную миллиметровку. Дорожки со стороны пайки нужно рисовать сплошными линиями, а дорожки со стороны деталей ( в случае двухстороннего монтажа) рисовать пунктирными линиями. Необходимо отметить, что располагаемые элементы должны быть в зеркальном отражении. Центры ножек элементов отмечаются точками, вокруг которых необходимо нарисовать паечную площадку. Для последующих действий, очень важно, какого размера Вы выбираете установочные площадки для элементов (обидно, когда при рисовании платы “в живую” или дорожка между площадками не проходит, или после пайки элементы выпадают вместе с площадками). Ширину дорожек следует выбирать исходя из того, чем вы будете рисовать плату, при использовании стеклянных рейсфедеров примерно 1.5 мм. После того как рисунок готов, нужно приложить чертеж к светящейся поверхости ( например стекло окна) обратной стороной к себе и обвести пунктирные линии. Так Вы получите рисунок со стороны установки деталей. Далее необходимо вырезать чертеж листа бумаги, но с учетом “крылышек” для крепежа с каждой стороны (около 15 мм).

Маркировка

SunChemical XZ81(белая)

SunChemical XZ85(черная)

Термоотверждаемые маркировочные краски, наносимые сеткографическим способом SunChemical(Великобритания).

Маркировочные чернила AGFA DiPaMat Legend Ink Wh04(белая)

Акриловые UV + термоотверждаемые чернила, для струйной печати маркировки на индустриальном принтере.

Печатные платы при помощи лазерного принтера.

Всё большую популярность у радиолюбителей приобретает способ изготовления единичных печатных плат с переносом рисунка с распечатки на лазерном принтере. Печатать лучше всего на тонкую мелованную бумагу – в ней меньше ворс, хороший результат получается на листах журнала “Стерео&Video”, а также подложках “самоклеек” и термобумаге для факсов (сторону подобрать экспериментально). В лазерных принтерах следует включить режим максимальной подачи тонера (отключить “экономичный” режим, если он был включен, контраст – на максимум и т.д.), а также использовать тракт с минимальным изгибом бумаги (такая опция есть в старых моделях HP LJ 2, LJ4 и др.). Рисунок платы должен быть “отзеркален”, такая опция имеется в меню печати многих графических программ, например Corel Draw, Corel Photo Paint, а при печати из программ, не умеющих “зеркалить”, необходимо применять вывод на Postscript принтеры, опция отзеркаливания у которых имеется в драйвере. Вместо вывода на лазерном принтере можно использовать ксерокопирование, но также в режиме с максимальной контрастностью и на термобумагу от факсов. При изготовлении двухслойных печатных плат для уменьшения термоусадки бумаги последнюю рекомендуется перед печатью изображения “прогнать” через принтер вхолостую (без печати рисунка). Кроме того, обе стороны должны быть на одном листе во избежание сильного рассогласования из-за разной термоусадки бумаги. Обезжиренная плата ложится медью вверх на ровную поверхность, сверху полученный отпечаток тонером вниз. Этот “бутерброд” со стороны бумаги прижимается утюгом (секунд на 20 – 30), разогретым до температуры глажения крепдешина (спросите у дам). Утюг должен расплавлять изображение, сделанное лазерным принтером, не сразу. То есть тонер при такой температуре должен стать из твердого вязким, но не жидким. Когда плата остынет, её нужно опустить в теплую воду, подержать там несколько минут. Как бумага раскиснет (будет видно), всё легко сдерется, остальное просто скатать пальцем. Вместо воды удалить бумагу можно серной кислотой. Если дорожки смазанные, вы неаккуратно снимали утюг или ставили холодный груз. Если дорожки где-то отсутствуют, утюг слишком холодный. Если дорожки стали широкими, утюг слишком горячий, или слишком долго грели плату. Если плата двухсторонняя, то сначала на просвет совмещаются бумажные распечатки обеих сторон, в любых свободных противоположных местах иголкой прокалываются два технологических отверстия, первая сторона платы “гладится” как обычно, потом сверлится по технологическим отверстиям тонким сверлом, а с другой стороны по ним же на просвет совмещается с бумажной распечаткой другой стороны. Травить можно и хлорным железом (для ускорения немного подогреть), и солянкой с гидропиритом. Всё это применялось даже на гетинаксе, никаких отслоений дорожек нет, нормально выполняются дорожки шириной до 0,8 мм, а при некотором опыте и до 0,5 мм. После травления тонер удаляется ацетоном, смывкой лака для ногтей или аэрозолем Flux Off. Сверлится, обрезается и так далее, как обычно…