Печатная плата: виды, требования, размеры, методы изготовления

Название печатная плата (ПП) – это вариант обозначения на английском языке printedcircuitboard, или сокращенно PCB. Дословно – «плата с напечатанными электрическими цепями».

Что такое печатная плата

Печатная плата – это конструктивный элемент в виде пластины, используемый для установки электронных компонентов и электрического соединения их между собой. Основа платы – диэлектрический материал с токопроводящими элементами на его поверхности, а в некоторых случаях и внутри.

Такая пластина обеспечивает надежное крепление электронных компонентов за счет пайки и дополнительной клеевой или лаковой фиксации. Для электрических соединений между компонентами обычно в процессе изготовления ПП формируются плоские медные проводники, называемые дорожками. На дорожках формируются контактные площадки. К ним напрямую припаиваются планарные электронные компоненты. Для припаивания и крепления компонентов со штыревыми и проволочными выводами через контактные площадки просверливаются отверстия.

Для чего реально нужна печатная плата? Готовая печатная плата с установленными на ней компонентами является основой для сборки различных приборов и устройств. Электронные модули на основе ПП сегодня используют в самой разнообразной технике, включая промышленное, военное, авиакосмическое, бытовое и прочее оборудование.

Виды

Виды печатных плат как конструктивного элемента электроники, радио- и вычислительной техники совершенствовались, начиная с 1902 года. Именно тогда был выдан патент на первый прототип современных ПП. В процессе дальнейшего развития радиотехники и электроники применялись разные диэлектрики, появились новые методы создания электрических соединений.

Но по-настоящему печатная плата появилась только после Второй мировой войны, когда австрийский изобретатель Пауль Эйслер начал использовать методы из технологий полиграфической печати для нанесения рисунка токопроводящих дорожек на слой медной фольги.

По наиболее распространенной классификации сегодня все ПП делятся по принципу размещения токопроводящего слоя на:

• односторонние;
• двухсторонние;
• многослойные.

В односторонних изделиях медные дорожки располагаются на одной стороне, в двухсторонних – на обеих. Такие платы иногда называют одно- и двухслойными. Но двухслойность (два слоя фольги) в данном случае условная, тогда как многослойные классифицируются по количеству слоев диэлектрика.

Технологически более сложные многослойные платы прессуют из нескольких слоев диэлектрика с размещаемыми между ними токопроводящими дорожками. Для связи между электрическими цепями на разных слоях используют межслойные металлизированные отверстия.

По способу нанесения и закрепления медных дорожек платы делятся на изготавливаемые по субтрактивным и аддитивным технологиям. Субтрактивный метод заключается в удалении лишних участков медной фольги с помощью химического травления. При аддитивной технологии выделенные с помощью маски токопроводящие дорожки формируются методами химического омеднения.

• Под гибкими печатными платами понимают одно- и многослойные токопроводящие дорожки на гибком диэлектрике. Они востребованы в некоторых типах смартфонов и приборов, в робототехнике и другом оборудовании с установленными на подвижных частях жесткими платами.
• Специальные типы ПП применяются для работы в расширенном диапазоне температур, в силовых установках и на сверхвысоких частотах (СВЧ). К ним предъявляются особые требования для каждого варианта применения.
• Печатные платы на металлической основе востребованы при повышенном тепловыделении электронных компонентов (например, планарные светодиоды повышенной яркости). Одностороннюю плату из стеклотекстолита наклеивают на алюминиевую или медную основу в качестве теплоотвода.

Появление новых типов устройств и приборов стимулирует разработку новых материалов и видов.

Из чего делают печатные платы

В качестве диэлектрика для ПП часто применяют пластины стеклотекстолита, ранее гетинакса. Они включают прессованные материалы типа тканей и бумаги, пропитанные фенольной или эпоксидной смолами. На одну или обе поверхности диэлектрика напрессовывается тонкий слой медной фольги. Получаемые пластины называют фольгированными. Они отличаются невысокой стоимостью и легко обрабатываются, а готовые детали отвечают основным требованиям для сложной аппаратуры и техники массового применения.

Материал диэлектрической основы печатной платы во многом определяет ее рабочие характеристики. Поэтому для использования в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) выбирают керамику или фольгированные пластины на основе фторопласта, которые к тому же работают и при повышенных температурах (до +260 °С). Для портативных устройств сегодня востребованы гибкие ПП. Их изготовляют на основе полиимидных материалов в качестве гибкого диэлектрика.

Токопроводящие дорожки печатных плат для блоков питания и другой силовой электроники должны пропускать повышенные токи. Поэтому толщина слоя фольги должна быть увеличенной (70, 100, 150 и более микрон).

Выбор материала и технологии изготовления печатных плат во многом определяет надежность и производительность всего устройства. Особенно высокие требования предъявляются к изделиям класса HDI (High Density Interconnect), применяемым в портативной электронике. Такие платы делают из высокотемпературного стеклотекстолита марки FR-4. Они должны иметь более узкие дорожки и зазоры между ними (75 микрон и менее).

Методы изготовления

Существуют разные методы и способы изготовления печатных плат из стеклотекстолита, керамических, фторопластовых пластин и других материалов, учитывающие методики и технологии изготовления, а также требования ГОСТ к печатным платам, включая класс точности. Чаще всего ПП делают из стеклотекстолита FR-4, который может иметь разную толщину диэлектрика и металлической фольги.

• При субтрактивном методе формирования печатных дорожек лишние участки медной фольги обычно удаляются методом гальванического травления или механического фрезерования. Для изготовления плат повышенной точности применяют лазерное сверление и фрезерование.

• Аддитивный и полуаддитивный метод предполагает нанесение дорожек и меднение переходных отверстий на чистом стеклотекстолите методом химического и гальванического осаждения меди через защитную маску.

Наиболее сложные технологии производства многослойных печатных плат включают следующие методы:

• Попарное прессование – металлизация межслойных отверстий перед сборкой пакета плат.
• Металлизация отверстий между слоями – предварительно платы собираются в пакет и прессуются, а затем сверлятся отверстия для металлизации.
• Послойное наращивание – межслойное соединение проводников гальваническим осаждением меди в межслойных отверстиях.
• Комбинация металлизации и послойного наращивания межслойных отверстий.

Этапы изготовления

Включают множество процессов и во многом зависят от требований к печатным платам и производственной технологии. Предварительное проектирование для конкретного устройства ведется на основе принципиальной электрической схемы. При этом разрабатывается топология платы, включающая размеры и оптимальную компоновку электронных компонентов с целью минимизации токопроводящих дорожек и, при необходимости, взаимных электромагнитных помех. Выбирается оптимальный вид, размер и способы изготовления печатной платы.

Использование стеклотекстолита с двухсторонним фольгированием – распространенный вариант при серийном и мелкосерийном изготовлении плат.

Основные этапы такого производства с использованием технологии гальванического травления медной фольги:

1. Заготовки необходимого размера вырезаются из больших листов стеклотекстолита требуемой толщины и очищаются от загрязнений перед последующей обработкой.
2. На подготовленные пластины наносится защитный рисунок печатных дорожек с помощью светочувствительного материала (фоторезиста) методом фотолитографии или трафаретной печати (шелкографии).
3. Травление на подготовленных платах открытых медных участков производится в специальных гальванических ваннах в химически активном растворе.
4. На очищенной после травления пластине сверлятся технологические, межслойные соединительные и установочные отверстия для электронных компонентов со штыревыми выводами.
5. При необходимости на двухсторонней фольге выполняется металлизация монтажных и межслойных соединительных отверстий.
6. Нанесение защитной паяльной маски из теплостойкого полимерного материала, защищающей поверхность платы от горячего оловянного расплава, который воздействует при последующей пайке лишь на открытые контактные площадки.
7. Готовая продукция проходит все предусмотренные требованиями ГОСТ проверки качества и отправляется заказчику для монтажа электронных компонентов.

Этапы изготовления печатных плат на основе гибких и фторопластовых материалов имеют свои особенности. Жесткие платы с металлической подложкой изготавливают напрессовыванием предварительно заготовленных плат из стеклотекстолита.

Печатные платы являются составляющим компонентом современной техники. Этапы создания и изготовления печатных плат – достаточно трудоемкий и высокотехнологичный процесс, требующий разнообразного дорогостоящего оборудования. Поэтому их производством часто занимаются специализированные предприятия и компании. Также они предлагают заказчикам разработку необходимой документации, подбор оптимальной технологии изготовления и сопутствующие услуги.