Разработка топологии печатной платы
Перед началом разработки топологии печатной платы необходимо решить вопросы, связанные с печатной платой. Решение этих вопросов поможет конструктору оптимально разместить электрорадиоэлементы на печатной плате.
В начале конструкторской работы должны быть решены вопросы, касающиеся габаритных размеров печатной платы и координат крепежных отверстий. Габаритные размеры выбираются из стандартного ряда. Выбор размеров нужно выполнять очень тщательно, поскольку малые размеры и жесткие допуски увеличивают стоимость печатной платы. Все ограничения по высоте печатного узла должны быть оговорены и сообщены конструктору, чтобы он мог их учесть при размещении на плате крупногабаритных деталей.
Для того, чтобы оптимально разместить тепловыделяющие и термочувствительные элементы конструктор должен быть проинформирован о конструкции всей аппаратуры в целом, в том числе о применяемом способе охлаждения (конвекция, принудительное воздушное охлаждение и так далее) и способе установки платы в аппаратуре (вертикальное, горизонтальное).
Также необходимо оговорить какие радиоэлементы непосредственно на плате не устанавливаются, например, ручки управления громкостью и тембром, кнопочные выключатели, светодиоды выносятся на переднюю панель, предохранители - на заднюю стенку. Для разъема, установленного на печатной плате, может потребоваться совмещение либо с отверстием в задней стенке, либо с жестко закрепленной приборной ответной гнездовой колодкой.
Часто в плате требуется предусмотреть различные окна, вырезы и прочее. Печатную плату крепят на фиксаторах с помощью специальных отверстий.
Поскольку в данном курсовом проекте изготавливается двусторонняя печатная плата, то необходимо оговорить, что количество проводников, расположенных со стороны установки радиоэлементов по возможности необходимо уменьшать. То есть основной рисунок схемы должен быть с обратной стороны печатной платы.
В печатной плате при пересечении проводников получается электрический контакт. Если он не нужен, необходимо изменять линию проведения одного из проводников, либо один из проводников выполнять на другой стороне платы. Длина проводников должна быть минимальной. Рисунок проводников должен наилучшим способом использовать отведенную для него площадь. Для обеспечения гарантий от повреждения проводников при обработке минимальная ширина проводников должна быть 0,25 мм. При ширине проводника более 3 мм могут возникнуть трудности, связанные с пайкой. Чтобы при пайке не появилось мостиков из припоя, минимальный зазор между проводниками должен быть 0,5 мм.
Для печатных проводников для двусторонней печатной платы допускается плотность тока до 20 А/мм2. Напряжение между проводниками зависит от величины минимального зазора между ними. Для печатных плат, защищенных лаком, значение рабочего напряжения можно выбрать из таблицы 1.
| Таблица 1 | |||||||||
| Зазор, мм | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 2,5 | ||
| Uраб, В |
При этих условиях заметного нагрева проводников не происходит.
По плотности рисунка печатные платы делятся на три класса:
1. Характеризуется наименьшей плотностью и точностью изготовления;
2. Характеризуется повышенной плотностью и точностью изготовления;
3. Характеризуется высокой плотностью и точностью изготовления.
Определить класс можно по таблице 2.
| Таблица 2 | |||
| Параметр | Размеры элементов, мм | ||
| Расстояние между проводниками, контактными площадками, проводниками и контактными площадками, проводниками и металлизированными отверстиями | 0,5 | 0,25 | 0,15 |
| Расстояние от края просверленного отверстия (зенковки) до края контактной площадки | 0,5 | 0,25 | 0,15 |
| Отношения минимального диаметра металлизированного отверстия к толщине платы | 0,4 | 0,33 | 0,33 |
По первому классу выполняются платы всех размеров, по второму - платы размером не более 240х400 мм, по третьему - платы размером не более 170х170 мм. Толщину печатной платы определяют толщиной выбранного диэлектрика, она лежит в пределах от 0,5 до 3 мм.
Чертежи печатных плат выполняют на бумаге с координатной сеткой и шагом 0,625; 1,25; 2,5 мм. Центры всех отверстий должны располагаться строго в узлах координатной сетки. Допустимые отклонения ±200 мкм для первого класса, ±100 мкм для второго и третьего класса. Для обеспечения свободной установки электрорадиоэлементов и протекания припоя на всю длину металлизированных отверстий диаметры отверстий должны быть больше диаметров выводов примерно на 0,2 мм. Диаметры отверстий выбираются по таблице 3.
| Таблица 3. | ||
| Номинальный диаметр отверстий, мм | ||
| Монтажные неметаллизированные отверстия | Монтажные и переходные отверстия с металлизацией | Максимальный диаметр выводов навесных электрорадиоэлементов, мм |
| 0,5 | 0,4 | - |
| 0,7 | 0,6 | до 0,4 |
| 0,9 | 0,8 | 0,5-0,6 |
| 1,1 | 1,0 | 0,7-0,8 |
| 1,6 | 1,5 | 0,9-1,3 |
| 2,1 | 2,0 | 1,4-1,7 |
Монтажные и переходные металлизированные отверстия следует выполнять без зенковки, но для обеспечения надежного соединения металлизированного отверстия с печатным проводником вокруг него на наружних сторонах печатной платы со стороны фольги делают контактную площадку. Контактные площадки выполняют круглой или прямоугольной формы, а контактные площадки, обозначающие первый вывод активного навесного электрорадиоэлемента выполняют по форме отличной от остальных. Для двусторонней печатной платы возможно уменьшение контактных площадок (при химическом методе) до 2,5 мм2 для первого класса, до 1,6 мм2 для второго класса, до 1,2 мм2 для третьего класса (без учета площади самого отверстия).
Печатные проводники должны выполняться прямоугольной формы параллельно сторонам платы и координатной сетки или под углом 450 к ним. Ширина проводника должна быть одинаковой по всей длине. Расстояние между неизолированными корпусами электрорадиоэлементов, между корпусами и выводами, между выводами соседних электрорадиоэлементов или между выводом и любой токопроводящей деталью следует выбирать с учетом допустимой разностью потенциалов между ними и предусматриваемого теплоотвода, но не менее 1 мм (для изолированных деталей не менее 0,5 мм). Расстояние между корпусом электрорадиоэлементом и краем печатной платы не менее 1 мм, между выводом и краем печатной платы не менее 2 мм, между проводником и краем печатной платы не менее 1 мм.
У электрорадиоэлементов, устанавливаемых на печатную плату, выводы диаметром более 0,7 мм не подгибать. Выводы диаметром менее 0,7 мм следует подгибать и обрезать.
Подготовку, установку (в том числе на клей), пайку интегральных микросхем, микросборок и других электрорадиоэлементов на печатную плату, а также влагозащиту их в составе печатных узлов необходимо производить с учетом требований технических условий на электрорадиоэлементы, ОСТ 11.073.063-81, ОСТ 11.074.011-79, ОСТ 11. 336.907.0-79, ОСТ 11.070.069-81.
Перечисленные выше сведения об элементах дадут возможность конструктору печатной платы разработать топологию печатной платы, определить ее геометрические размеры и координаты крепежных отверстий, оптимально разместить электрорадиоэлементы на плате. Этот чертеж является основой для всех последующих конструкторских работ.
На основе рассмотренных конструктивных требований и ограничений была разработана топология печатной платы.
6. Описание ТЕХНОЛОГИЧЕСКого ПРОЦЕССа
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ КОМБИНИРОВАННЫМ ПОЗИТИВНЫМ МЕТОДОМ
Позитивный комбинированный способ является основным при изготовлении двусторонних печатных плат. Преимуществом позитивного комбинированного метода по сравнению с негативным является хорошая адгезия проводника, повышенная надежность монтажных и переходных отверстий, высокие электроизоляционные свойства. Последнее объясняется тем, что при длительной обработке в химически агрессивных растворах (растворы химического меднения, электролиты и др.) диэлектрическое основание защищено фольгой.
Технологический процесс изготовления печатной платы комбинированным позитивным методом состоит из следующих операций:
1. Резка заготовок
2. Пробивка базовых отверстий
3. Подготовка поверхности заготовок
4. Нанесение сухого пленочного фоторезиста
5. Нанесение защитного лака
6. Сверловка отверстий
7. Химическое меднение
8. Снятие защитного лака
9. Гальваническая затяжка
10. Электролитическое меднение и нанесение защитного покрытия
ПОС-61
11. Снятие фоторезиста
12. Травление печатной платы
13. Осветление печатной платы
14. Оплавление печатной платы
15. Механическая обработка
Далее рассмотрим каждую операцию более подробно.
Резка заготовок
Фольгированные диэлектрики выпускаются размерами 1000-1200 мм, поэтому первой операцией практически любого технологического процесса является резка заготовок. Для резки фольгированных диэлектриков используют роликовые одноножевые, многоножевые и гильотинные прецизионные ножницы. На одноножевых роликовых ножницах можно получить заготовки размером от 50 х 50 до 500 х 900 мм при толщине материала 0,025-3 мм. Скорость резания плавно регулируется в пределах 2-13,5 м/мин. Точность резания ±1,0 мм. Для удаления пыли, образующейся при резании заготовки, ножницы оборудованы пылесосом. В данном технологическом процессе будем применять одноножевые роликовые ножницы при скорости резания 5 м/мин.
Из листов фольгированного диэлектрика одноножевыми роликовыми ножницами нарезаем заготовки требуемых размеров с припуском на технологическое поле по 10 мм с каждой стороны. Далее с торцов заготовки необходимо снять напильником заусенцы во избежание повреждения рук во время технологического процесса. Качество снятия заусенцев определяется визуально.
Резка заготовок не должна вызывать расслаивания диэлектрического основания, образования трещин, сколов, а также царапин на поверхности заготовок.
Пробивка базовых отверстий
Базовые отверстия необходимы для фиксации платы во время технологического процесса. Сверловка отверстий является разновидностью механической обработки. Это одна из самых трудоемких и важных операций. При выборе сверлильного оборудования необходимо учитывать следующие основные особенности: изготовление нескольких тысяч отверстий в смену, необходимость обеспечения перпендикулярных отверстий поверхности платы, обработка плат без заусенцев. При сверлении важнейшими характеристиками операции являются: конструкция сверлильного станка, геометрия сверла, скорость резания и скорость осевой подачи. Для правильной фиксации сверла используются специальные высокоточные кондукторы. Кроме того, необходимо обеспечить моментальное удаление стружки из зоны сверления. Как известно стеклотекстолит является высокоабразивным материалом, поэтому необходимо применять твердосплавные сверла. Применение сверл из твердого сплава позволяет значительно повысить производительность труда при сверлении и улучшить чистоту обработки отверстий. В большинстве случаев заготовки сверлят в пакете, высота пакета до 6 мм.
В данном технологическом процессе заготовки будем сверлить в пакете на сверлильном станке С-106. Скорость вращения сверла при этом должна быть в пределах 15 000-20 000 об/мин, а осевая скорость подачи сверла - 5-10 мм/мин Заготовки собираются в кондукторе, закрепляются и на сверлильном станке просверливаются базовые отверстия.
Подготовка поверхности заготовок
От состояния поверхности фольги и диэлектрика во многом определяется адгезия наносимых впоследствии покрытий. Качество подготовки поверхности имеет важное значение как при нанесении фоторезиста, так и при осаждении металла.
Широко используют химические и механические способы подготовки поверхности или их сочетание. Консервирующие покрытия легко снимаются органическим растворителем, с последующей промывкой в воде и сушкой. Окисные пленки, пылевые и органические загрязнения удаляются последовательной промывкой в органических растворителях (ксилоле, бензоле, хладоне) и водных растворах фосфатов, соды, едкого натра.
Удаление оксидного слоя толщиной не менее 0,5 мкм производят механической очисткой крацевальными щетками или абразивными валками. Недостаток этого способа - быстрое зажиривание очищающих валков, а затем, и очищающей поверхности. Часто для удаления оксидной пленки применяют гидроабразивную обработку. Высокое качество зачистки получают при обработке распыленной абразивной пульпой. Гидроабразивная обработка удаляет с фольги заусенцы, образующиеся после сверления, и очищает внутренние медные торцы контактных площадок в отверстиях многосторонних печатных плат от эпоксидной смолы.
Высокое качество очистки получают при сочетании гидроабразивной обработки с использованием водной суспензии и крацевания. На этом принципе работают установки для зачистки боковых поверхностей заготовок и отверстий печатных плат нейлоновыми щетками и пемзовой суспензией.
Для двусторонней механической зачистки поверхности фольгированного диэлектрика часто применяют специальную крацевальную установку. Обработка поверхности производится вращающимися латунными щетками в струе технологического раствора. Установка может обрабатывать заготовки максимальным размером 500х500 мм при их толщине 0,1-3,0 мм, частота вращения щеток 1200 об/мин, усилие поджатия плат к щеткам 147 Н.
Химическое удаление оксидной пленки (декапирование) наиболее эффективно осуществляется в 10 %-ном растворе соляной кислоты.
К качеству очистки фольгированной поверхности предъявляют высокие требования, так как от этого во многом зависят адгезия фоторезиста и качество рисунка схемы.
В данном технологическом процессе подготовка поверхности заготовок производится декапированием заготовок в 5% соляной кислоты и обезжириванием венской известью. Для этого необходимо поместить заготовки на 15 сек в 5%-ный раствор соляной кислоты при температуре 180-250 С, затем промыть заготовки в течение 2-3 мин в холодной проточной воде при температуре 180-250 С, далее зачистить заготовки венской известью в течение 2-3 мин, снова промыть заготовки в холодной проточной воде при температуре 180-250 С в течение 2-3 мин, затем декапировать заготовки в 5%-ном растворе соляной кислоты в течение 1-3 сек при температуре 180-250 С, опять промыть заготовки в холодной проточной воде в течение 1-2 мин при температуре 20±20 C, промыть заготовки в дистиллированной воде при температуре 20±20 C в течение 1-2 мин, и затем сушить заготовки сжатым воздухом при температуре 180-250 С до полного их высыхания. После всех этих операций необходимо проконтролировать качество зачистки поверхности фольги. Контроль рабочий.