Печатная плата

Печатная плата со смонтированными на ней электронными компонентами

Гибкая печатная плата с установленными деталями объёмного и поверхностного монтажа.

Чертеж платы в CAD-программе и готовая плата

Две макетных платы для микроконтроллера ATmega8. На левой плате: сверху место для силовых транзисторов, под ним разъём программатора. В центре место для микросхемы, слева от неё — место для кварца. По кромке платы проведены дорожки питания и «земли».

Разрез печатной платы с корпусом типа BGA. Сверху видно кремниевый кристалл. Коричневые полоски — медь дорожек и переходного отверстия (англ.)русск.. Зеленые участки — паяльная маска.

Печа́тная пла́та (на англ. PCB — printed circuit board) — пластина, выполненная из диэлектрика, на которой сформирована (обычно печатным методом) хотя бы одна электропроводящая цепь (электронная схема). Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов или соединения отдельных электронных узлов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка, обычно пайкой, или накруткой, или склёпкой, или впрессовыванием, в результате чего собирается электронный модуль (или смонтированная печатная плата).

Виды плат

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на односторонние, двухсторонние и многослойные.

В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги аддитивным или субтрактивным методом. В аддитивном методе проводящий рисунок формируется на нефольгированном материале, обычно путём химического меднения через предварительно нанесённую на материал защитную маску. В субтрактивном методе проводящий рисунок формируется на фольгированном материале, путём удаления ненужных участков фольги, при этом обычно используется химическое травление.

Печатная плата обычно содержит монтажные отверстия и контактные площадки, которые могут быть дополнительно покрыты защитным покрытием: сплавом олова и свинца, оловом, золотом, серебром, органическим защитным покрытием. Кроме того в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения слоёв платы, внешнее изоляционное покрытие («защитная маска») которое закрывает изоляционным слоем неиспользуемую для контакта поверхность платы, маркировка обычно наносится с помощью шелкографии, реже — струйным методом или лазером.

Многослойные печатные платы

Многослойные печатные платы (сокращённо МПП, англ. multilayer printed circuit board) применяются в случаях, когда разводка соединений на двусторонней плате становится слишком сложной. По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа увеличивается количество слоёв на платах.

В многослойных платах внешние слои (а также сквозные отверстия) используются для установки компонентов, а внутренние слои содержат межсоединения либо сплошные планы (полигоны) питания. Для соединения проводников между слоями используются переходные металлизированные отверстия. При изготовлении многослойных печатных плат сначала изготавливаются внутренние слои, которые затем склеиваются через специальные клеящие прокладки (препреги). Далее выполняется прессование, сверление и металлизация переходных отверстий.

Виды печатных плат

По количеству слоёв проводящего материала:

• Односторонние (ОПП)
• Двусторонние (ДПП)
• Многослойные (МПП)

По гибкости:

• Жёсткие
• Гибкие

По технологии монтажа:

• Для монтажа в отверстия
• Для поверхностного монтажа

Каждый вид печатной платы может иметь свои особенности, в связи с требованиями к особым условиям эксплуатации (например, расширенный диапазон температур) или особенности применения (например, в приборах, работающих на высоких частотах).

Материалы

Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как текстолит, стеклотекстолит, гетинакс.

Так же основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие печатные платы применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. При этом металлическое основание платы крепится к радиатору.

В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д) и керамика. Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.

Разработка

Рассмотрим типичный процесс разработки 1-2-х слойной платы.

• Определение габаритов (не принципиально для макетной платы).
• Выбор толщины материала платы из ряда стандартных:
  • Наиболее часто используется материал толщиной 1,55 мм.
• Вычерчивание в CAD-программе в слое BOARD габаритов (краёв) платы.
• Расположение крупных радиодеталей: разъёмов и др. Обычно это происходит в верхнем слое (TOP):
  • Считается, что уже были определены чертежи каждого компонента, расположение и количество выводов и др. (или используются готовые библиотеки компонентов).
• «Разбрасывание» остальных компонентов по верхнему слою, или, реже, по обоим слоям для 2-сторонних плат.
• Запуск трассировщика. При неудовлетворительном результате — перерасположение компонентов. Эти два шага зачастую выполняются десятки или сотни раз подряд.
  • В некоторых случаях трассировка печатных плат (отрисовка дорожек) производится вручную полностью или частично.
• Проверка платы на ошибки (DRC, Design Rules Check): проверка на зазоры, замыкания, наложения компонентов и др.
• Экспорт файла в формат, принимаемый изготовителем печатных плат, например Gerber.

Изготовление

Под изготовлением печатных плат обычно понимают обработку заготовки (фольгированного материала). Типовой процесс состоит из нескольких этапов: сверловка переходных отверстий, получение рисунка проводников путем удаления излишков медной фольги, металлизация отверстий, нанесение защитных покрытий и лужение, нанесение маркировки.

Получение рисунка проводников

При изготовлении плат используются химические, электролитические или механические методы воспроизведения требуемого токопроводящего рисунка, а также их комбинации.

Химический способ

Химический способ изготовления печатных плат из готового фольгированного материала состоит из двух основных этапов: нанесение защитного слоя на фольгу и травление незащищенных участков химическими методами.

В промышленности защитный слой наносится фотохимическим способом с использованием ультрафиолетово-чувствительного фоторезиста, фотошаблона и источника ультрафиолетового света. Фоторезист бывает жидким или пленочным. Жидкий фоторезист наносят в промышленных условиях так как он чувствителен к несоблюдению технологии нанесения. Пленочный фоторезист популярен при ручном изготовлении плат. Фотошаблон представляет собой УФ-прозрачный материал с распечатанным на нём рисунком дорожек. После экспозиции фоторезист проявляется и закрепляется как и в обычном фотопроцессе.

Защитный слой в виде лака или краски может быть нанесен шелкотрафаретным способом или вручную. Радиолюбители для формирования на фольге травильной маски применяют перенос тонера с изображения, отпечатанного на лазерном принтере («лазерно-утюжная технология»).

Затем незащищенная фольга травится в растворе хлорного железа или (гораздо реже) других химикатов, например медного купороса. После травления защитный рисунок с фольги смывается.

Механический способ

Механический способ изготовления предполагает использование фрезерно-гравировальных станков или других инструментов для механического удаления слоя фольги с заданных участков.

Нанесение покрытий

Возможны такие покрытия как:

• Защитные лаковые покрытия («паяльная маска»).
• Лужение.
• Покрытие фольги инертными металлами (золочение, палладирование) и токопроводящими лаками для улучшения контактных свойств.
• Декоративно-информационные покрытия (маркировка).

См. также

• Лазерно-утюжная технология изготовления печатных плат
• Макетная плата
• Фоторезист
• Рельефная плата
• Функциональная схема
• Принципиальная схема
• Эквивалентная схема
• Материнская плата
• Монтажник радиоэлектронной аппаратуры и приборов

Ссылки

• Статьи о проектировании, трассировке, изготовлении и монтаже печатных плат.
• Подробное описания изготовления печатной платы в домашних условиях.
• Видео урок по изготовлению печатных плат в домашних условиях.
• Основы технологии монтажа в отверстия. Часть I
• Основы технологии монтажа в отверстия. Часть II
• Справочник по производству печатных плат
• Серийное производство печатных плат. Технологические возможности.
• Применение критериев IPC для приёмки печатных плат и электронных блоков. Часть 1. Параметры плоскостности печатных плат.
• Применение критериев IPC для приёмки печатных плат и электронных блоков. Сквозные отверстия печатных плат.
• Термические испытания печатных плат в соответствии со спецификациями IPC.
• Бессвинцовая технология: директивы ЕС и сложности их применения при производстве и монтаже печатных плат
• Гибкие и гибко-жесткие печатные платы. Комментарии к стандарту IPC-2223A.
• ГОСТ 21000-81 Листы фторопластовые неармированные и армированные фольгированные. Технические условия
• Аспекты разводки печатных плат.

Литература

• Пирогова Е. В. Проектирование и технология печатных плат: Учебник. — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. — 560 с. — (Высшее образование). — ISBN 5-16-001999-5, ISBN 5-8199-0138-X