Элементы конструирования печатных плат

Элементы конструирования печатных плат

Элементы конструирования печатных плат

Введение

Конструирование печатных плат - отдельная тема, не раскрываемая полностью в этой книге. Процесс конструирования нормирован всевозможными стандартами настолько, что писать о нем - повторять эти многочисленные стандарты. Поскольку технолог при общении с разработчиком должен представлять интересы производства, ему нужно иметь свою точку зрения на выбор конструктивно-технологических решений при проектировании печатных плат. Конечно, он должен считаться с тем, что выбор решений по конструкциям и методам изготовления печатных плат продиктован функциями, выполняемыми электронной аппаратурой и используемыми в ней компонентами, и такими рабочими характеристиками разрабатываемой системы, как производительность, энергопотребление, методы теплоотвода, характеристики окружающей среды, в которой система будет работать.

С другой стороны, разработчик должен учитывать производственные требования к технологичности конструкции: выбору доступных и опробованных материалов конструкций, серийнопригодности, контролепригодности, себестоимости и т.д., что определяет время и издержки освоения новых изделий в производстве, их производственную надежность и себестоимость. Технолог должен быть вооружен такими аргументами и терминами, которые позволят ему разговаривать на одном языке с конструкторами и с пониманием воспринимать его контраргументы и обоснования выбранных решений.

Этот раздел о выборе конструктивно-технологических решений рассчитан на технологов для общения с конструктором.

1. Корпуса микросхем

Наиболее важными факторами, влияющими на разработку конструкций печатных плат и их топологий, являются конфигурации выводов активных компонентов и шаг между ними, особенно для тех микросхем и их корпусов, конструкция которых определяется необходимой плотностью компоновки и, соответственно, плотностью монтажа. Эти факторы определяют облик конструкции печатной платы и печатного узла.

Развитие микроэлектронных компонентов постоянно идет в направлении увеличения интеграции, производительности и функциональности. Данный процесс характеризуется увеличением плотности активных элементов на кристалле примерно на 75% в год, а это, в свою очередь, вызывает необходимость в увеличении количества их выводов на корпусе на 40% в год. Вышеизложенные факты обуславливают постоянно растущий спрос на новые методы корпусиро-вания, позволяющие увеличить плотность межсоединений на печатной плате.

В результате общих тенденций, площадь монтажных подложек уменьшается примерно на 7%, а физические размеры электронной аппаратуры на 10-20% в год. Эта тенденция поддерживается непрерывным увеличением плотности межсоединений за счет уменьшения элементов печатного монтажа, пространственного распределения межслойных переходов за счет использования сквозных, глухих, слепых отверстий. Все это серьезно влияет на облик производства печатных плат, - увеличивается стоимость основных фондов, объем прямых издержек, цикл производства. В конечном итоге, все это приводит к увеличению себестоимости плат.

1.1 Конструкции корпусов микросхем

С самого начала кристаллы микросхем помешали внутрь керамических или пластмассовых корпусов. Примерно до 1980 г. все корпуса микросхем имели выводы, предназначенные для монтажа в металлизированные отверстия печатной платы и последующей пайки. Позднее, с увеличением интеграции, их выводы стали делать в форме, пригодной для технологии поверхностного монтажа, ставшей преобладающей технологией монтажа электронных компонентов.

На промежуточном этапе развития технологий монтажа, получили распространение корпуса микросхем, пригодные как для монтажа в отверстие, так и для поверхностного монтажа.

Основными типами корпусов микросхем, в зависимости от расположения их выводов, являются:

корпуса с периферийным расположением выводов, когда выводы расположены по краям кристалла или корпуса микросхемы;

корпуса с матричным расположением выводов.

Большинство типов микросхем имеют периферийное расположение выводов. Практически, шаг периферийных выводов ограничен 0,3 мм, что позволяет микросхемам с корпусами больших размеров иметь до 500 выводов. Но нужно принять во внимание, что при шаге выводов меньше 0,5 мм выход годных изделий резко снижается.

Компоненты с матричным расположением выводов имеют большое разнообразие:

CSP,

PBGA,

CBGA,

PPGA,

CCGA.

Предполагается, что микросхемы с количеством выводов от 150 до 200 будут выполняться в корпусах с периферийным расположением выводов. Для микросхем с количеством выводов более ISO-ZOO предпочтительнее матричная система выводов, так как она делает возможным размещение большого количества выводов на ограниченной площади.

Конструкции выводов в матричной системе:

столбиковые выводы из припоя, армированного «путанкой» из тонкого провода, для корпусов микросхем и многокристальных модулей МСМ, часто называемых также как матрица контактных площадок, матрица выводов

матрица шариковых выводов с шагом выводов 1,50 мм, 1,27 мм, 1 мм, 0,8 мм и менее.

Матричная система выводов обеспечивает ряд очевидных преимуществ. Наиболее важными являются:

минимальная площадь монтажного поля подложки;

лучшие условия обеспечения функциональной производительности электронных модулей за счет меньших паразитных эффектов на быстродействующих операциях;

упрощение технологии поверхностного монтажа на печатную плату;

больший выход готовой продукции вопреки опасениям потери качества, из-за невозможности прямого визуального контроля соединений.

С уменьшением шага выводов особенно важно, чтобы разработчики печатных плат считались с необходимостью обеспечения технологичности их конструкций, правильно с этих позиций оценивали не только сборочные, но и производственные характеристики печатных плат, чтобы разработанные конструкции гарантировали наибольший выход и наименьшую себестоимость готовой продукции.

1.2 Непосредственный монтаж кристаллов на подложку

Потребности в уменьшении массы и габаритов конструкций электронной аппаратуры обусловили интерес к методам непосредственного монтажа кристаллов микросхем на плату: «кристалл на плате» - СОВ или многокристальные модули.

Кристаллы микросхем монтируют на подложку одним из четырех методов:

1. Термокомпрессионная микросварка - наиболее старый, наиболее гибкий и широко применяемый метод. Этим методом до сих пор изготавливают более 96% всех микросхем.

Присоединение кристаллов к выводам ленточного носителя или TAB. Этот метод используется для автоматического монтажа кристаллов с малым шагом выводов на промежуточный носитель. Кроме возможности автоматизации монтажа, он обеспечивает возможность предварительного тестирования кристаллов перед окончательной установкой его на монтажную подложку.

3. Присоединение перевернутого кристалла через шариковые выводы. Компактность и улучшенные электрические характеристики этого метода межсоединений способствуют его расширяющемуся применению.

4. Присоединение кристалла балочными выводами. В этом методе используют технологии термокомпрессионной и ультразвуковой микросварки балочных выводов к периферийным контактным площадкам на кристалле и, затем, - балочных выводов к монтажной подложке.

При оценке возможности использования этих методов, необходимо принимать во внимание разные температурные коэффициенты расширения кристаллов из кремния и монтажной подложки. Кроме прямого решения этой проблемы выбором соответствующего материала подложки, она может быть эффективно решена заливкой эпоксидной смолой, разделяющей кристалл и плату. Подобный прием позволяет выровнять деформации кристалла и подложки и, за счет этого, существенно улучшить надежность таких сборок.

1.3 Микрокорпуса

При непосредственной установке кристаллов на монтажные подложки не всегда представляется возможность предварительно убедиться в их правильной работе до их монтажа на подложку. К настоящему времени существует несколько технологий для решения этой проблемы. В зарубежной терминологии эта проблема имеет название - «заведомо исправный кристалл». Один из путей ее решения - использование микрокорпусов, размеры которых лишь ненамного превышают размеры кристалла, но выполняют функции защиты от внешней среды и перераспределяют выводы кристалла на матрицу выводов микрокорпуса. Применение микрокорпусов позволяет тестировать микросхему до установки ее на монтажную подложку. На микросхемах с программируемой логикой создается возможность программировать их пережиганием перемычек в соответствии с задуманной схемой. Типовой пример микрокорпусов - CSP-корпус.

Поскольку для некоторых CSP-корпусов шаг матричных выводов составляет 0,5 мм и менее, требуется использование специальных технологий производства печатных плат, позволяющих обеспечить разводку сигнальных цепей в узких пространствах между элементами монтажного поля.

Существующие технологии производства печатных плат способны обеспечить монтаж выводов бескорпусных микросхем, если он выполняется по технологии термокомпрессионной сварки или с использованием ленточных носителей. И, хотя такое решение переносит трудности защиты открытых кристаллов микросхем на корпусирование электронных модулей, оно все еще остается одним из наиболее эффективных методов монтажа бескорпусных микросхем.

При использовании корпусов с малым шагом матричных выводов ситуация усложняется тем, что сигнальные связи от внутренних выводов матрицы необходимо вывести между контактными площадками матрицы. При этом имеется возможность провести между контактными площадками один, максимум, два проводника. Поэтому, в большинстве случаев, проводники от внутренних выводов матрицы выводятся по внутренним слоям многослойных печатных плат.

Многослойные печатные платы, изготовленные традиционным методами маталлизиции сквозных отверстий, плохо приспособлены к монтажу микросхем с матричными выводами с шагом менее 8,0 мм. И, в то же время, уже созданы корпуса микросхем типа CSP с шагом матричных выводов 0,508 мм и 0,254 мм. Для монтажа таких компонентов к МПП добавляются специальные слои с глухими металлизированными отверстиями, на которых реализуется разводка цепей из-под микрокорпусов или из-под бескорпусных кристаллов микросхем.

Такие тонкие дополнительные специализированные слои, напрессовываются на МПП, после чего в них выполняются глухие металлизированные отверстия. Поэтому этот метод за рубежом получил названием «напрессованная на поверхность схема». И, хотя в России для этого метода пока нет установившегося термина, можно видеть, что в нем соединены метод металлизации сквозных отверстий и метод послойного наращивания. Значит, ему можно присвоить длинное название - «МПП с послойным наращиванием внешних слоев» или «МПП с глухими отверстиями», пока в русской среде специалистов не установится более лаконичное название.

1.4 Количество выводов и степень интеграции микросхем

При монтаже кристаллов на подложку корпуса и корпуса на монтажную подложку или при непосредственном монтаже кристалла на плату неизбежно увеличиваются используемые для этого площади. Это вызвано необходимостью выделения определенного физического пространства для размещения выводов. А число выводов подчиняется общей тенденцией их увеличения с увеличением интеграции микросхем:

где я - количество выводов, q - коэффициент связности микроэлементов в структуре микросхемы, N - степень интеграции микросхемы, R - показатель Рента.

В противоположность степени интеграции, этот эффект называют степенью дезинтеграции, которая оценивается отношением плотности микроэлементов, отнесенной к монтажной площади на плате с их плотностью размещения на кристалле. Например, если кристалл процессора имеет размер 10x10 мм, а монтажное поле его корпуса на плате занимает площадь 4000 мм, такое конструктивное исполнение системы межсоединений характеризуется дезинтеграцией с числом 10. Эта цифрой оценивается матрица из 800 выводов. Периферийное расположение такого количества выводов с шагом 0,4 мм занимает монтажное поле площадью 8000 мм, значит степень дезинтеграции такого конструктивного исполнения - 100.

Нужно заметить, что степень дезинтеграции растет по мере возрастания иерархического уровня конструкции: кристалл - микросхема - печатный узел - модуль - блок - … Например, дезинтеграция в блоке может достигать цифры 100 тыс.

Очевидно, что степени интеграции и дезинтеграции должны соответствовать техническому уровню развития производства. При стремлении выполнить конструкцию на предельных возможностях производства, стоимость изделия станет неоправданно высокой из-за большого объема отходов на брак. Надежность таких конструкций также не будет гарантирована. Если же в производство поступит изделие, спроектированное по низким проектным нормам, т.е. с большой степенью дезинтеграции, его большая материалоемкость, низкая фондоотдача также пагубно скажется на его себестоимости.

2. Координатная сетка

Положение печатного рисунка на плате регламентируется условной координатной сеткой - ортогональной сеткой, состоящей из параллельных осям X-Y линий, условно или фактически нанесенных на чертеж печатной платы. Расстояние между двумя ближайшими параллельными линиями называют шагом координатной сетки. Точки пересечения линий координатной сетки называют узлами. Узлы координатной сетки предназначены для определения местоположения монтажных и переходных отверстий, контактных площадок для монтажа поверхностно-монтируемых компонентов. Поэтому шаг координатной сетки печатной платы должен строго соответствовать шагу выводов радиоэлементов.

В отечественной практике используют шаг основной координатной сетки 2,5 мм. По мере уплотнения печатного монтажа используют вспомогательные координатные сетки, шаг которых получают делением или умножением шага основной координатной сетки на 2». Таким образом, получают ряд мелких шагов вспомогательных сеток: 0,625; 0,3125 мм и дополнительных шагов, получаемых путем сложения разных шагов, например: 2,5+0,625=3,125 или 0,625+0,31,25=0,9375 мм.

Иногда возникает необходимость назначения координатной сетки печатных проводников с шагами, отличающимися от шага основной или вспомогательной координатной сетки. Например, в отдельных случаях для уравнивания изоляционных зазоров удобно принять шаг проводников, равный 0,5 мм.

Сейчас, при преимущественном использовании импортных компонентов с дюймовой метрической системой, повсеместно перешли на, так называемую, дюймовую сетку с шагом основной координатной сетки 2,54 мм. Однако и современные импортные компоненты с матричной системой выводов начинают приобретать шаги в метрической системе измерений. Поэтому нужно быть готовым к смешению систем измерений и простановки размеров. В этом случае, при переходе от дюймовой системы к метрической нужно проставлять размеры с округлением до знака, соответствующего допуску на проставляемый размер. Неправомерно, например, переводить дюймовый размер 1/8» в метрический, как 3,175 мм, если допуск на этот размер проставляется ±0,1 мм. Значение этого метрического размера нужно округлить до 3,2 мм.

3. Элементы проводящего рисунка

3.1 Печатные проводники

Размеры печатных проводников по длине и ширине выбираются с позиций обеспечения электрических требований по плотности тока, омическому сопротивлению, реализации специальных электрических параметров и механической устойчивости. С другой стороны, эти требования должны соответствовать разрешающей способности печатного рисунка. Последнее обстоятельство определяется принятым методом изготовления печатной платы и адгезионными свойствами базового материала.

Современные фоторезисты имеют достаточно высокую разрешающую способность, соизмеримую с толщиной фоторезиста. Лучшую разрешающую способность имеют жидкие позитивные фоторезисты: 25 линий на миллиметр. Сухие пленочные фоторезисты - 10…20 линий на миллиметр. Поэтому ограничения по минимальной ширине проводников возникают не на этапе получения фоторезистивного рисунка, а на технологических операциях изготовления металлического рисунка печатной схемы.

Негативному способу получения рисунка печатной схемы свойственно незначительное уменьшение ширины проводника в результате бокового подтравливания меди. Величина подтравливания обычно соизмерима с толщиной фольги и зависит от характера травящего раствора, способа и времени травления. При использовании тентинг-метода глубина травления складывается из толщин фольги и гальванического осаждения, поэтому воспроизводимость рисунка оказывается не лучше, чем 0,15/0,15 мм.

При позитивном методе изготовления печатных плат разрешающая способность несколько ухудшается за счет наличия гальванической пары: медь - металлорезист. Но глубина травления здесь меньше чем при тентинг-методе, но несколько больше, чем при химическом методе на толщину гальванической затяжки.

3.2 Металлизированные отверстия

Металлизированные отверстия выполняют роль монтажного элемента или межслойного соединения. Диаметры сквозных монтажных отверстий для выполнения нормальных условий пайки должны быть на 0,2…0,4 мм больше диаметра вывода радиоэлемента. Вместе с этим гальваническое покрытие получается удовлетворительным при определенном соотношении между диаметром отверстия и толщиной платы. Это соотношение связано с рассеивающей способностью электролитов и, отчасти, с режимами гальванического осаждения.

Переходные сквозные отверстия должны быть отделены от монтажных контактных площадок, чтобы предотвратить вытекание припоя с монтажных поверхностей.

Неглубокие глухие отверстия и тем более металлонаполненные глухие отверстия могут выполняться в монтажных контактных площадках.

В процессе эксплуатации ПП, в составе аппаратуры металлизация отверстий постоянно испытывает переменные во времени термомеханические напряжения, вызванные разностью в термическом расширении меди и диэлектрического основания. Устойчивость к термомеханическим нагрузкам обеспечивается соответствующей толщиной и пластичностью металлизации отверстий. ГОСТ 23752 устанавливает среднее значение толщины медной металлизации в отверстии 25 мкм при возможном минимальном значении 20 мкм. Это значение толщины металлизации установилось в процессе многолетней практики изготовления и эксплуатации ПП с отношением толщины ПП к диаметру отверстия 1…3. Действительно, анализ отказов металлизированных переходных отверстий, не заполненных припоем, показывает, что при толщине металлизации около 7 мкм отказ соединения неизбежно возникает, при толщине 15 мкм вероятность отказа примерно 0,9. И только толщина 20 мкм обеспечивает надежность соединений в течение длительного периода эксплуатации аппаратуры. Поэтому основное условие гарантий надежности соединений по металлизированному отверстию состоит в том, что толщина медного гальванопокрытия без дефектов не должна быть менее 20…25 мкм. Чтобы не допустить дефектов металлизации в виде незначительных не металлизированных участков, создающих очаги повышенной концентрации напряжений, толщину металлизации увеличивают до 30…35 мкм.

Металлизация монтажных отверстий участвует в теплопередаче в процессе пайки. Поэтому для удовлетворительного пропая, желательно, чтобы толщина металлизации была тем больше, чем глубже сквозное отверстие. Дефекты металлизации в виде кольцевых утончений или трещин неизбежно приводят к непропаю, так как создают заметные препятствия для теплопереноса.

Увеличение толщины печатной платы сверх отношения толщины к диаметру 4:1 приводит к значительным осложнениям в обеспечении надежности металлизированных отверстий, так как они менее устойчивы к воздействию термомеханических напряжений.

3.3 Монтажные контактные площадки. Финишные покрытия

Разнообразие финишных покрытий настолько велико, что приходится говорить о том, что ни одно из них не удовлетворяет всему комплексу требований к пайке и длительному сохранению способности к пайке.

В технологии печатных плат финишные покрытия формируются одним из двух методов: из металлорезиста, используемого при травлении рисунка, и специальным осаждением покрытия под пайку на монтажные поверхности. Гальванические покрытия металлорезистами при травлении окисляются настолько, что приходится применять для них специальные процессы дезоксидации. Для легкоплавких металлорезистов можно использовать оплавление, и тем самым, значительно улучшать способность к пайке. Поскольку медь проводников образует с оловом интерметаллиды, из-за которых исчезает способность к пайке, под металлорезистом формируют барьерный подслой, например, никеля. Тогда способность к пайке сохраняется достаточно длительный срок, даже без оплавления олова-свинца. Поскольку, кроме способности к пайке, приходится считаться и с устойчивостью металлорезистов к травящим растворам. Выбор финишных покрытий имеет вариантность.

Вариант 1. Если предпочтение отдано схеме процесса, по которой для защиты при травлении рисунка используется металлорезист, в выборку попадают сплав олово-свинец, олово, никель, палладий и серебро. Из них, по паяемости без оплавления, лучшими могут быть олово, палладий и серебро. По устойчивости к электрохимическим отказам выгодно отличаются палладий и олово. По стоимости - предпочтительней олово.

Травление меди по оловянному металлорезисту осуществляется в аммиачном комплексе хлорной меди - универсальном травящем растворе, пригодном, в том числе, для травления меди по фоторезисту.

Таким образом, для первого варианта в качестве металлорезиста и покрытия под пайку целесообразно использовать олово и, соответственно, в качестве травителя - аммиачный комплекс хлорной меди.

Вариант 2. Если требуется изготавливать платы не выше 4 класса точности по тентинг-процессу, в качестве финишного покрытия, как правило, используют горячее облуживание по паяльной маске. Но горячее облуживание неизбежно оставляет на поверхности монтажных площадок наплывы с неопределенной высотой от 0 до 0,3 мм. При установке чипов и компонентов в корпусе, типа BGA, эта разновысотность не позволяет реализовать установку таких компонентов. Горячее облуживание плат становится неприемлемой.

Альтернативой облуживанию являются иммерсионные покрытия оловом и золотом. Поскольку эти покрытия принципиально тонкие, они требуют использования барьерных подстоев, что несколько удорожает процесс. Тем не менее, он остается и надежней, и дешевле процесса горячего облуживания.

В последнее время начинают использовать покрытия органическими ингибиторами, сохраняющими способность плат к пайке в течение длительного времени.

3.4 Контактные покрытия

Разъемные электрические соединения, образованные концевыми печатными контактами с розетками соединителей, в соответствии со своим назначением должны иметь высокую поверхностную

проводимость в условиях воздействия агрессивных компонентов промышленной атмосферы и среды обитания людей, отличающейся относительно высоким содержанием аммиака и его соединений, сернистых соединений, жировой аэрозоли и других, обладать устойчивостью к многократным сочленениям-расчленениям, паяемостью. Основные проблемы в выборе контактных покрытий состоят в обеспечении надежности контактов, которые должны одинаково хорошо работать в условиях как малых, так и больших токовых нагрузок.

Развитие электронной техники привело к снижению коммутируемых контактами нагрузок; а миниатюризация - к уменьшению контактных давлений, к переходу от притирающихся разъемных соединений к нажимным, коммутирующим нагрузки от «сухих» до долей ампера, при напряжениях от микровольт до нескольких вольт, при малых усилиях нажатия, приходящихся на один контакт. Характерными особенностями режима работы концевых печатных контактов являются длительное замкнутое состояние с кратковременными перерывами и единичные включения с длительными перерывами.

Электрическое сопротивление контакта при очень малых нагрузках значительно больше, чем при больших, и более критично к изменению тока в контактной цепи. Кроме того, при малых нагрузках всегда имеется вероятность сбоев, т.е. самовосстанавливающихся отказов, возникающих по случайным причинам.

Цепи с малыми токами, как правило, являются высокоомными и не критичны к величине электрического сопротивления контакта, однако устойчивые тенденции к увеличению этого сопротивления могут служить признаком наступающего отказа.

Нагрузки в цепи контактов определяют механизм контактирования. Пассивные нагрузки характеризуются такими уровнями тока и напряжения, что не могут создать условия пробоя поверхностных пленок. Проводимость контакта, в таком случае, может осуществляться только через контактные пятна, созданные силой, прижимающей контакты друг к другу. Механизм проводимости контакта при этом металлический или туннельный.

Активные нагрузки характеризуются такими уровнями токов и напряжений, которые создают проводящие участки контакта. При этих нагрузках основным механизмом образования контакта является электрический пробой - фриттинг, благодаря которому пробиваются загрязняюшие слои и расширяются уже имеющиеся проводящие.

Границей между пассивными и активными нагрузками является напряжение фриттинга, минимальное значение которого равно долям вольта при напряженности поля более 107 В/м.

Основное влияние на надежность слаботочных контактов оказывает состояние их поверхности. Поэтому, при выборе покрытия контактов, следует принимать во внимание способность к образованию окисных, сульфидных и сульфатных пленок, обусловленных наличием в атмосфере городов и помещений с людьми относительно больших концентраций окислов серы, сероводорода, аммиачных соединений и влаги. Свойства материалов для контактных покрытий приведены в табл. 2.4.

Благодаря особым свойствам в качестве контактных материалов чаще всего используются золото, палладий, серебро, олово и всевозможные сплавы этих металлов.

Золочение контактов - самый надежный способ обеспечения надежности разъемного соединения. Износостойкость золотого покрытия прямо зависит от толщины слоя золота и твердости материалов, из которых состоят контакты ответной части соединителя. Наибольший срок службы сопряженных контактов разъема обычно достигается выбором двух материалов, имеющих различную твердость. Так как контакты разъема покрываются твердым золотом, концевые печатные контакты должны быть покрыты относительно мягким золотом. Другим аргументом в пользу мягкого золота является то, что оно более стойко к атмосферным воздействиям, видимо, потому, что оно не загрязнено никакими присадочными металлами. Опасения относительно повышенного мягкого контактного покрытия не оправданы, поскольку плата сочленяется внешними соединителями аппаратуры и извлекается из него всего лишь несколько раз за весь период эксплуатации. Для покрытия контактов разъема целесообразно использовать твердое золото улучшения износостойкости их поверхности.

Твердое золото представляет собой сплав с такими металлами, как кобальт, никель, индий. Твердость по Виккерсу для твердого золота лежит в пределах 1400…2400 Н/мм2, в то время, как твердость мягкого золота составляет 600…800 Н/мм2.

Палладиевые покрытия имеют меньшую пористость и большую износостойкость, по сравнению с золотыми, что позволяет снизить толщину покрытия. Недостатками их являются способность катализировать деструкцию органических соединений и малая стойкость в средах, загрязненных газообразными выделениями полимерных материалов. Продукты полимеризации представляют собой тонкие, прозрачные пленки на контактной поверхности.

Серебряные покрытия со временем тускнеют, а затем чернеют из-за образования пленок - продуктов окисления и сульфидизации. При длительном хранении контактные поверхности из серебра пассивируются. Эти пленки при контактировании могут быть разрушены только в цепях с большими напряжениями и токами. Поэтому для переключения малых токов использование серебра нецелесообразно.

Олово относится к дешевым материалам, но из-за низкой износостойкости применяется в аппаратуре, где число сочленений-расчленений не превышает 50. Следует учитывать способность олова к образованию нитевидных кристаллов, способных вызвать короткое замыкание.

В высоконадежной микроэлектронной аппаратуре в качестве контактных покрытий начинают применять гальванический сплав палладий-никель, имеющий заметные преимущества перед покрытиями чистыми золотом и палладием. В табл. 2.5 и 2.6 приведены характеристики покрытий из указанных материалов.

Таблица 2.5. Контактное сопротивление

Надежность концевых печатных контактов ограничивается коррозией основы, через поры контактных покрытий, и диффузией основного металла, через тонкий слой контактного покрытия. Если подслоем контактного покрытия из золота или палладия служат медь или серебро, коррозия начинается в порах покрытия при воздействии сульфатов, сульфидов и оксидов; ее продукты расползаются по поверхности контактного покрытия и вызывают повышение контактного электрического сопротивления, т.е. ухудшение контакта вплоть до полного разрыва электрической цепи. Поэтому между медью и контактным покрытием наносят барьерный слой никеля, устойчивого к воздействию сероводорода. Нанесение подслоя никеля способствует выглаживанию поверхности, что тоже способствует снижению пористости контактного покрытия. Замечено, что при прочих равных условиях пористость твердого золочения приблизительно в два раза больше, чем мягкого.

Практикой установлены следующие сочетания контактных покрытий:

твердое золочение: 1…3 мкм по подслою никеля или 2…4 мкм по меди;

мягкое золочение: 0.5…2 мкм по подслою никеля или 1,5..А мкм по меди;

палладирование: 2…3 мкм по подслою никеля.

3.5 Топология токопроводящего рисунка

Характер проводящего рисунка во многом определяет технологичность конструкции, надежность производства печатных плат. Анализ практики производства позволяет сформулировать ряд правил для конструирования печатного рисунка.

При трассировке проводников следует избегать острых углов. Во внутреннем пространстве такого угла образуется своеобразный карман, в котором часто наблюдаются недотравленные места, где при пайке скапливаются наплывы и сосульки припоя. При незначительных напряжениях сжатия в гальванических осадках, в результате термических воздействий пайки, острый угол может отслоиться от основания. Если проводник находится под высоким потенциалом, острие угла приобретает высокий градиент электрического поля, здесь сосредоточиваются загрязнения, в результате электростатического осаждения пыли. Создается опасность электрического пробоя.

Целесообразно размеры контактных площадок со стороны монтажа выполнять меньшими или, по крайней мере, такими же, как и со стороны пайки, чтобы в общем балансе теплопереноса уменьшить теплоотвод со стороны монтажа. Для качественного формирования припоя, когда не используется паяльная маска, печатные проводники со стороны пайки следует располагать параллельно длинной стороне платы; в этом направлении наиболее вероятно движение платы при пайке волной припоя. Экраны и цепи питания, выполненные в виде массивов фольги, должны иметь вырезы и освобождения вокруг монтажных отверстий, чтобы предотвратить непропаи, отслоения фольги из-за напора газовыделений из материала основания и обеспечить возможность демонтажа выводов элементов.

Чтобы обеспечить равномерность распределения гальванопокрытия, предотвратить зарастание и подгар одиночных элементов печатного рисунка, следует сбалансировать площади, занимаемые рисунками на обеих сторонах платы и выровнять его распределение по поверхности рабочего поля платы. Это осуществляется путем введения избыточных металлических поверхностей так, чтобы добиться равномерной плотности рисунка по всей плате. Заполнение свободных площадей может производиться либо непрерывными линиями сетки, либо отдельными изолированными элементами печати. При выборе того или другого типа рисунка для балансировки следует иметь в виду, что при нагревах ПП сбалансированность рисунка двух сторон существенно сказывается на короблении платы из-за разницы в механических напряжениях. Широко используемый принцип ортогональности топологии рисунка двух сторон приводит к скручиванию ПП. Несимметричность рисунка слоев в МПП относительно условного центра симметрии структуры слоев неизбежно приводит к заметному короблению.

Шириналамелей концевых печатных контактов должна выбираться с учетом компенсации небольших боковых перемещений платы, имеющих место, вследствие люфтов в направляющих и некоторого бокового смешения контактов в ответной части разъема. Так как контактное покрытие на ламели наносится на завершающей стадии, т.е. после вытравливания рисунка, печатный рисунок должен иметь технологические проводники, соединяющие каждую ламель с шиной металлизации. Край платы, входящий в разъем, имеет фаску, выполняемую после нанесения контактных покрытий, поэтому, чтобы предотвратить его повреждение, край ламели должен немного отступать от края фаски, как показано на рис. 2.8. Край ламели скруглен, чтобы предотвратить отслоение фольги при сочленении ламелей концевых концевого печатного контакта с ответной частью.

3.6 Избирательная лаковая защита

Ряд элементов, монтируемых на ПП, не допускает возможности общей лакировки в составе печатного узла или блока. Например, лаковая защита плат с соединителями, регулировочными элементами требует трудоемких и малонадежных приемов использования антиадгезионных паст и лаков, предусматривающих отделение лака от поверхности и деталей, не подлежащих лакировке. Крепление некоторых элементов связано с необходимостью их установки непосредственно на ПП, что требует создания изолирующей прослойки между металлическими элементами на ПП и корпусом элемента.

При групповой пайке печатных узлов и блоков между печатными проводниками образуются перемычки припоя. Их визуальное выявление и устранение ручным инструментом вносят дополнительную трудоемкость, до 15 мин, к тому же, случаи необнаружения тонких малозаметных закорачивающих перемычек могут приводить к выходу из строя элементов.

Эффективным средством повышения надежности печатных узлов и блоков, снижения трудоемкости производства является селективная лаковая защита, наносимая на ПП до монтажа элементов, методом трафаретной печати или фотохимии. Она представляет собой пленку нагревостойкой эмали или термостойкого сухого пленочного фоторезиста, которая наносится на ПП так, что открытыми остаются только монтажные элементы и незначительная зона вокруг них, обусловленная погрешностями технологического процесса трафаретной печати или фотохимии.

Трудности точного нанесения избирательной лаковой защиты связаны с наличием рельефа печатных проводников на диэлектрическом основании, растеканием краев рисунка, образованного жидкой эмалью, растяжением сетчатого трафарета при продавливании через него краски движущимся ракелем. Гарантировать точность совмещения сетчатого трафарета с платой лучше, чем 0,15 мм - нереально, поэтому современная практика производства должна быть ориентирована на жидкие композиции, поддающиеся фотолитографической обработке, или на термостойкие сухие пленочные фоторезисты, формируемые на плате также методами фотолитографии.

Наслаивание сухого пленочного фоторезиста на рельеф печатного рисунка требует использования специального вакуумного ламинатора, чтобы гарантировать отсутствие газовых полостей по кромкам проводников. Остальные процессы не имеют принципиальных отличий от обычных процессов, связанных с использованием фоторезистов.

Страницы: 1, 2