Оценка геометрических параметров печатного монтажа с учетом технологических ограничений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отчет

к лабораторной работе

Оценка геометрических параметров печатного монтажа с учетом технологических ограничений



Оглавление

печатный плата технологический

1. Методы производства печатных плат

1.1 Химический субтрактивный метод

1.2 Аддитивный химико-гальванический метод

1.3 Комбинированный позитивный метод (полуаддитивный метод)

1.4 Анализ применимости методов изготовления печатных плат в соответствием с классами точности по ГОСТ 23751-86

2. Технология производства печатной платы стабилизатора напряжения

2.1 Характеристика схемы стабилизатора напряжения

2.2 Выбор метода изготовления печатной платы

2.3 Выбор материала основания печатной платы

2.4. Изготовление заготовки печатной платы с обоснованием квалитетов точности и классов шероховатостей

2.5 Описание технологического маршрута изготовления печатной платы

3. Расчет печатного монтажа печатной платы

Вывод

Список использованных источников и литературы



1. Методы производства печатных плат

1.1 Химический субтрактивный метод

Применяется при производстве однослойных печатных плат, а также при изготовлении внутренних слоев МПП (выполненных методами металлизации сквозных отверстий и послойного наращивания). Собственно с этого метода и начиналась индустрия печатных плат. В качестве исходного материала используются фольгированные медью изоляционные материалы. После переноса рисунка печатных проводников (в виде пленки, стойкой к растворам травления) на фольгированную основу не защищенные от нее места химически удаляются - стравливаются. Отсюда и название метода. Защитную пленку наносят полиграфическими методами: фотолитография (защитная пленка формируется из фоторезиста - материала, осуществляемого через фотокопию печатного рисунка - фотошаблон), трафаретная печать (используется специальная, химически стойкая краска) и др. Структурная схема метода показана на рисунке 1.



Рисунок 1. Структурная схема химического субтрактивного метода

Преимущества субтрактивного метода:

* возможность полной автоматизации процесса;

* высокая производительность;

* низкая себестоимость.

Недостатки субтрактивного метода:

1. вследствие необходимости стравливания фольги сравнительно большой толщины образуются большие подтравы, что делает невозможным изготовление плат по высокому классу точности (с малыми значениями зазоров между элементами печатного проводника и малой шириной проводников). Поэтому для изготовления внутренних слоев МПП применяется более тонкая фольга - от 18 мкм и меньше. При ее стравливании образуются подтравы меньшей величины, что повышает класс точности;

2. необходимость использования фольгированных материалов, которые дороже, чем нефольгированные;

3. необходимость удаления дорогостоящей меди;

4. из-за образования больших объемов отработанных травильных растворов возникают дополнительные проблемы с их регенерацией, утилизацией и т.д.

1.2 Аддитивный химико-гальванический метод

В технологическом процессе изготовления печатных плат гальваническая металлизация осуществляется несколько раз:

1) для защиты тонкого слоя химической меди от повреждения и уменьшения

Количества стравливаемой меди проводится гальваническое меднение (толщина слоя меди 5?7 мкм);

2) для получения основного токопроводящего слоя меди в монтажных и переходных отверстиях, на проводниках и контактных площадках (толщина 25?35 мкм);

3) осаждение металлорезиста (защитного резиста на операции травления) на проводники, контактные площадки, в монтажные и переходные отверстия для защиты резиста на операции травления.

Структурная схема технологического процесса изготовления ПП аддитивным химико-гальваническим методом на рисунке 2.



Рисунок 2. Структурная схема технологического процесса изготовления ПП аддитивным химико-гальваническим методом

1.3 Комбинированный позитивный метод (полуаддитивный метод)

Применятся при производстве ДПП, а также при изготовлении внутренних слоев МПП, выполненных методом попарного прессования. По своей сути комбинированные способы изготовления плат относятся к полуаддитивным. Как и при субтрактивном методе, для изготовления плат по полуаддитивной технологии используются фольгированные диэлектрики. Однако есть существенная разница: при производстве полуаддитивным методом толщина применяемой фольги значительно меньше. В современных технологических процессах изготовления МПП с применением полуаддитивных методов используется фольга толщиной 18 мкм, 12 мкм, 9 мкм и 5 мкм. Дальнейшее формирование рисунка проводников происходит, как и при аддитивных методах, путем гальванического осаждения меди с применением фотошаблонов.

Рисунок 3. Структурная схема комбинированного позитивного метода производства печатных плат

Преимущества комбинированного позитивного метода:

- возможность создания элементов печатного рисунка с высокой точностью. При использовании фольги толщиной 9 мкм достижимая степень разрешения проводников и зазоров между ними - 75 мкм;

- практически на всех этапах техпроцесса фольга защищает диэлектрическое основание от воздействия технологических растворов. Этим достигается высокое качество поверхности диэлектрика и, как следствие, высокая надежность изоляции;

- хорошая адгезия (прочность сцепления) элементов печатного рисунка и диэлектрического основания платы.

Недостатки комбинированного позитивного метода:

- наличие операций травления приводит к возникновению бокового подтрава проводников. Это ограничивает разрешающую способность процесса. При использовании фольг толщиной 18 мкм и более обеспечение зазоров и ширин проводников на уровне 100 мкм уже может быть проблематичным, так как затрудняет изготовление ультрасложных плат (платы HDI - сверхвысокой плотности размещения элементов печатного рисунка);

- травление рисунка по металлорезисту ограничивает свободу выбора травящих растворов, что влечет за собой рост стоимости изготовления по сравнению с применением типовых субтрактивных методов;

- после завершения травления заготовок МПП необходимо удалять металлорезист, что ведет к увеличению расходов на изготовление.

Для МПП в основном используются методы металлизации сквозных отверстий. Метод попарного прессования уступил в свое время первенство ввиду более низкой гибкости и невозможности использования при создании плат с очень высоким классом точности. Часто метод попарного прессования применяется для изготовления внутренних слоев сложных МПП со скрытыми переходными отверстиями, расположенными внутри структуры плат. Метод послойного наращивания часто применяется в комбинации с методом металлизации сквозных отверстий (для создания сложных МПП со слепыми переходными отверстиями (платы HDI).

1.4 Анализ применимости методов изготовления печатных плат в соответствием с классами точности по ГОСТ 23751-86

Субтрактивный метод получения рисунка проводников ПП основан на травлении медной фольги по защитной маске. Из-за процессов бокового подтравливания меди под краями маски поперечное сечение проводников имеет форму трапеции, расположенной большим основанием на поверхности диэлектрика. Величина бокового подтравливания и, соответственно, разброс ширины создаваемых проводящих дорожек зависит от толщины слоя металла: при травлении фольги толщиной 5 мкм интервал разброса ширины проводников порядка 7 мкм, при травлении фольги толщиной 20 мкм разброс составляет 30 мкм, а при травлении фольги толщиной 35 мкм -- около 50 мкм.

При субтрактивной технологии размеры проводников на фотошаблоне необходимо увеличивать на величину заужения. Из этого следует, что субтрактивная технология имеет ограничения по разрешению, которые определяются толщиной фольги и процессами травления. Минимально воспроизводимая ширина проводников и зазоров составляет порядка:

- 50 мкм при толщине фольги 5?9 мкм;

- 100?125 мкм при толщине проводников 20?35 мкм;

- 150?200 мкм при толщине проводников 50 мкм.

Фотошаблоны-позитивы должны иметь резкость края изображения 3-4 мкм вместо 7-8 мкм у фотошаблонов, применяемых при получении изображений с разрешением 200?250 мкм. Проявление изображений проводится в установках проявления -- процессорах в стабилизированном трихлорэтане.

Из изложенного выше можно сделать вывод: изготовление слоев по субтрактивной технологии с применением диэлектриков с тонкой медной фольгой толщиной 5-9 мкм обеспечивает получение проводящего рисунка с минимальной шириной проводников и зазоров между ними порядка 50 мкм при толщине проводников 5?9 мкм и 100-125 мкм при толщине проводников 40?50 мкм.

Аддитивным методом изготавливают прецезионные ДПП на нефольгированном диэлектрике. В отличие от субтрактивных методов в аддитивном методе используется нефольгированный диэлектрик, на который селективно осаждается химическая медь.

Толщина химически осажденной меди на диэлектрик составляет 25?35 мкм. Удельное электрическое сопротивление 2,8 • 10?8 Ом • м (выше, чем у гальванической -- 1,72 • 10?8 Ом • м); относительное удлинение 4?6 %; прочность сцепления с диэлектриком не менее 0,4 Н/3 мм.

Метод фотоформирования является одним из вариантов аддитивного метода. Он применяется для изготовления ДПП и слоев МПП на нефольгированном основании 5-го класса точности. В качестве материала основания используют слоистые диэлектрики.



2. Технология производства печатной платы стабилизатора напряжения

2.1 Характеристика схемы стабилизатора напряжения

Рисунок 4. Электрическая схема стабилизатора напряжения

Схема представляет собой регулируемый стабилизатор напряжения, выполненный на популярной микросхеме К142ЕН2Б. Рисунок 4.

Диапазон входных напряжений составляет 4-25 В, диапазон выходных напряжений задается на этапе проектирования принципиальной схемы, путем подбора номинала сопротивления R2, а так же номинальным напряжением стабилитрона VD1. Для точной регулировки предусмотрен переменный резистор R5.

С указанными номиналами стабилизатор напряжения способен обеспечить выходной ток 0,15 А при напряжении 15 В. Коэффициент нестабильности по току и напряжению - 0,1 %, коэффициент подавления пульсаций - 60 дБ.



2.2 Выбор метода изготовления печатной платы

Поскольку металлизация отверстий не требуется, плата односторонняя и переходных отверстий нет. Рисунок схемы целесообразно будет выполнить сеткографическим методом (один из видов субтрактивной технологии), поскольку такой вариант предполагает минимальные затраты. Метод обеспечивает высокую производительность; сеткография применима для производства дешевых печатных плат, не требующих высокой степени разрешения.

Для сеткографического способа минимальная ширина проводников:

t_min = t_{i min} + 1.5Н_пр + 0.08 = 0.45 + 1.5·0.035 + 0.08 = 0.58 ? 0.6 мм, (1)

где Н_пр - толщина проводящего слоя, t_{i min} - минимальная ширина проводника, определяемая классом точности.

Расстояние между проводниками S_min = 0.45 мм (для 2 класса).

2.3 Выбор материала основания печатной платы

Исходя из того, что условия эксплуатации предъявляют достаточно жесткие требования относительно влажности, нецелесообразно использовать гетинакс, так как он в большей мере способен впитывать влагу. Так же необходимо учесть, что рабочие частоты лежат в диапазоне НЧ и схема не предполагает наличие высоких напряжений. Работа при высоких температурах также не требуется. Исходя из этого, для основания ПП будем использовать стеклотекстолит марки СФ-1-35 (стеклотекстолит фольгированный односторонний, с толщиной фольги 35 мкм).

Для определения толщины, необходимо воспользоваться отношением диаметра наименьшего отверстия (из компоновочной таблицы) к относительной толщине платы J. Минимальный диаметр монтажного отверстия - 0.5 мм. Величина J для 2-го класса точности равна 0.4. Отношение 0.5/0.4 = 1,25. В соответствии с ГОСТ толщина платы должна составлять 1,5 мм.

Итоговое обозначение материала ПП: СФ-1-35-1,5.

2.4 Изготовление заготовки печатной платы с обоснованием квалитетов точности и классов шероховатостей

В соответствии с ГОСТ 23751-86 «Платы печатные. Основные параметры конструкции» предельные отклонения на сопрягаемые размеры контура печатной платы не должны быть более 12-го квалитета по ГОСТ 25347-2013. Предельные отклонения на несопрягаемые размеры контура печатной платы не должны быть более 14-го квалитета по ГОСТ 25347-2013. Для изготавливаемой печатной платы с низким классом точности, целесообразно выбрать квалитет 12.

В соответствии с ГОСТ 2789-73 предпочтительная высота неровностей по 10 точкам Rz для фасок и небольших поверхностей равна 50 или 100 мкм. Поскольку контур платы не является сопрягаемой поверхностью, воспользуемся вторым значением (100 мкм).

Так как шероховатость поверхностей на которых располагаются проводники и ЭРЭ задана характеристиками используемого материала и не должна подвергаться механической обработке при изготовлении печатного модуля, укажем шероховатость без снятия материала.

Для остальных поверхностей воспользуемся 50 мкм.

2.5 Описание технологического маршрута изготовления печатной платы

Заготовку вырезают по контуру из стеклотекстолита марки СФ-1-35-1,5 согласно заданным размерам, производят обработку краев платы. Поверхность меди обрабатывают венской известью и окунанием в 10 %-ый раствор щелочи (NaOH).

По изготовленному трафарету в специальном станке производят нанесение защитного рисунка на поверхность меди.

Подведенную заготовку фиксируют в рабочей зоне на штифтах с точностью ±25 мкм и закрепляют при помощи вакуумной системы. Используя краскодозирующее устройство, краску подают в зону обработки, а ракелем продавливают ее через ячейки трафарета.

При нанесении регулируют угол наклона, скорость движения, давление и диапазон хода ракеля.

После нанесения покрытия осуществляют сушку. Краски с органическими растворителями сушат в туннельных конвейерных печах горячим воздухом при температуре 150-180 °С или под действием ИК-излучения. Краски мгновенной сушки, содержащие мономерно-полимерные композиции и фотоинициатор, закрепляются под воздействием ультрафиолетовых лучей.

Когда краска высохла, производят травление незащищенных участков меди в растворе хлорида железа (III), либо другого травителя. После травления плату промывают, удаляют защитный слой.

На следующем этапе производят сверление и лужение проводников сплавом ПОС-61



3. Расчет печатного монтажа печатной платы

Основными исходными данными для расчета элементов печатного монтажа являются: класс точности; шаг координатной сетки; установочные характеристики компонентов и допуски на отклонения размеров и координат элементов печатного монтажа от номинальных значений. Последние определяются уровнем технологии, применяемым оборудованием и используемыми материалами.

Металлизированные отверстия применяют как монтажные для установки навесных элементов и как переходные для создания электрических связей межу слоями. Диаметр монтажных отверстий должен быть больше диаметра выводов навесных элементов на величину, удовлетворяющую условиям пайки и автоматизированной сборки узлов (диаметр переходных отверстий с целью максимального уплотнения монтажа выбирают номинальным).

Определение минимальной ширины печатного проводника. Минимальная эффективная ширина печатного проводника по постоянному току:

(2)

где I_max - максимальный ток, протекающий в проводнике, А; j_доп - допустимая плотность тока, А/мм² (100 А/мм² - для комбинированного метода); t - толщина проводника, мкм

Определяется минимальная ширина проводника, мм, исходя из допустимого падения напряжения на нем:



(3)

где r - удельное объемное сопротивление, ОмЧмм²/м (r = 0,0175 ОмЧмм²/м); l - длина проводника, м (l = 0,19 м); U_доп - допустимое напряжение, не превышающее 5% от напряжения питания, В (U_доп = 1,5)

Номинальный диаметр монтажных металлизированных и неметаллизированных отверстий устанавливают, исходя из:

(4)

где d_э - максимальный диаметр вывода установленного ЭРЭ, мм; r -разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ мм; D_dн.о - нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия

Максимальный диаметр просверленного отверстия

(5)

где Дd - допуск на отверстия

Рассчитаем диаметр контактных площадок. Минимальный эффективный диаметр контактной площадки:

(6)

где Bм - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (КП), мм

Определение ширины проводников. Минимальная ширина проводника ПП, изготавливаемой комбинированным позитивным методом получения рисунка

(7)

где b_1min - минимальная эффективная ширина проводника, мм

Определение минимального расстояния между элементами проводящего рисунка. Минимальное расстояние между проводником и ПП:

(8)

где L₀ - расстояние между центрами рассматриваемых элементов, мм

d_L - допуск на расположение проводников

Минимальное расстояние между двумя проводниками:

(9)



Вывод

Во время выполнения лабораторной работы были изучены методы производства печатных плат, и проанализированы в соответствии с классами точности по ГОСТ 23751-86.

Была разработана технология производства печатной платы стабилизатора напряжения. Также были изучены методы расчета печатного монтажа печатной платы.



Список использованных источников и литературы

1. Технология радиоэлектронных средств: учеб. / Н.К. Юрков. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. - 640 с.

2. Проектирование и технология электронных средств: учеб. пособие / З.М. Селиванова, Д.Ю. Муромцев, О.А Белоусов. - Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», ун-та, 2012. - 140 с.

3. Технология изготовления печатных плат: учеб. пособие / Л.А. Брусницына, Е.И. Степановских; науч. ред. В.Ф. Макаров; министерство образования и науки Рос. Федерации, урал. Фед. Ун-т - Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2015. - 200 с.

4. ГОСТ 23751-86 Платы печатные. Основные параметры конструкции.

5. ГОСТ 25347-2013 Основные нормы взаимозаменяемости. Характеристики изделий геометрические. Система допусков на линейные размеры. Ряд допусков, предельные отклонения отверстий и валов.

6. ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.

Размещено на Allbest.ru