Печатные платы в домашних условиях. Материалы для печатных плат. Проверка качества проявления

В этой заметке я разберу популярные способы для создания печатных плат самостоятельно в домашних условиях: ЛУТ, фоторезист, ручное рисование. А также с помощью каких программ лучше всего рисовать ПП.

Когда-то электронные устройства монтировали с помощью навесного монтажа. Сейчас так собирают разве что ламповые аудиоусилители. В массовом ходу печатный монтаж, который преквратился уже давно в настоящую отрасль со своими хитростями, особенностями и технологиями. А хитростей там немало. Особенно при создании ПП для высокочастотных устройств. (Думаю, что сделаю как-нибудь обзор литературы и особенностей проектирования расположения проводников ПП)

Общий принцип создания печатных плат (ПП) заключается в том, чтобы на поверность из непроводящего ток материала нанести дорожки, которые этот самый ток проводят. Дорожки соединяют радиодетали согласно требуемой схеме. На выходе получается электронное устройство, которое можно трясти, носить, иногда даже мочить без боязни его повредить.

В общих чертах технология создания печатной платы в домашних условиях состоит из нескольких шагов:

Выбрать подходящий фольгированный стеклотекстолит. Почему текстолит? Его проще достать. Да и подешевле получается. Зачастую для любительского устройства этого достаточно.
Нанести на текстолит рисунок печатной платы
Стравить лишнюю фольгу. Т.е. убрать лишнюю фольгу с участков платы, на которых нет рисунка проводников.
Просверлить отверстия под выводы компонентов. Если требуется просверлить отверстия под компоненты с выводами. Для чип компонентов этого очевидно не требуется.
Залудить токоведущие дорожки
Нанести паяльную маску. Опционально, если хочешь внешне приблизить свою плату к заводским.

Другой вариант -- это просто заказать свлю плату на заводе. Сейчас множество компаний предоставляют услуги по производсту печатных плат. Получишь отличную заводскую печатную плату. Различаться с любительской они будут не только наличием паяльной маски, но и многими другими параметрами. Например, если у тебя двусторонняя ПП, то на плату бедт присутствовать металлизация отверстий. Можно выбирать цвет паяльной маски и т.д. Преимуществ море, только успевай отслюнявливать деньги!

Шаг 0

Прежде, чем изготавливать ПП, она должна быть где-то нарисована. Можно по старинке нарисовать её на миллиметровой бумаге и потом переносить рисунок на заготовку. А можно воспользоваться одной из многочисленных программ для создания печатных плат. Программы эти называются общим словом САПР (CAD). Из доступных радиолюбителю можно назвать DeepTrace (беспл. версия), Sprint Layout, Eagle (можно конечно найти и специализированные типа Altium Designer)

С помощью этих программ можно не только нарисовать ПП, но и подготовить её к производству в заводских условиях. Вдруг захочется заказать десяток платок? А если не захочется, то такую ПП удобно распечатать и с помощью ЛУТ или фоторезиста изготовить самостоятельно. Но об этом ниже.

Шаг 1

Итак, заготовку для ПП условно можно разделить на две части: непроводящая основа и проводящее покрытие.

Заготовки для ПП бывают разные, но чаще всего они различаются материалом непроводящего слоя. Можно встретить такую подложку из гетинакса, стеклотекстолита, гибкая основа из полимеров, композиции целлюлозной бумаги и стеклоткани с эпоксидной смолой, даже металлическая основа бывает. Все эти материаллы разлиаются своими физическими и механическими свойствами. И на производстве материал для ПП выбирается исходя из экономических соображений и технических условий.

Для домашних ПП я рекомендую фольгированный стеклотекстолит. Легко достать и цена приемлемая. Гетинаксы наверно дешевле, но лично я их терпеть не могу. Если ты разбирал хоть одно массовое китайское устройство, то наверно видел из чего там сделаны ПП? Они ломкие, а при пайке воняют. Пусть китайцы это нюхают.

В зависимости от собираемого устройства и условий его эксплуатации можно выбрать подходящий текстолит: односторонний, двусторонний, с разной толщиной фольги (18 мкм, 35 мкм и т.д. и т.п.

Шаг 2

Для нанесения рисунка ПП на фольгированную основу радиолюбители отработали множество методов. Среди них два самых популярных в нынешнее время: ЛУТ и фоторезист. ЛУТ -- это сокращение от "лезерно утюжная технология". Как и следует из названия потребюутся лазерный принтер, утюг и глянцевая фотобумага.

ЛУТ

На фотобумагу печатается рисунок в отзеракленном виде. Затем он накладывается на фольгированный текстолит. И хорошенько прогревается утюгом. Под воздействием температуры тонер с глянцевой фотобумаги прилипает к медной фольге. После прогрева плата отмачивается в воде и бумага аккуратно убирается.

На фото выше как раз плата после травления. Черный цвет токоведущих дорожек из-за того, что они еще покрыты затвердевшим тонером от принтера.

Фоторезист

Это более сложная технология . Но и результат с его помощью можно получить более качественный: без протравов, более тонкие дорожки и т.д. Процесс похож на ЛУТ, но рисунок ПП печатается на прозрачной пленке. Таким образом получается шаблон, который можно использовать многократно. Затем на текстолит наносится "фоторезист" -- чувствительная к ультрафиолету пленка или жидкость (фоторезист бывает разным).

Затем поверх фоторезиста прочно закрепляется фотошаблон с рисунком ПП и затем этот бутерброд облучается ультрафиолетовй лампой четко отмеренное время. Надо сказать, что рисунок ПП на фотошаблоне печатается инвертированным: дорожки прозрачные, а пустоты темные. Делается это для того, чтобы при засветке фоторезиста незакрытые шаблоном участки фоторезиста среагировали на ультрафиолет и стали нерастворимыми.

После засветки (или экспонирования, как это называют спецы) плата и "проявляется" -- засвеченные участки становятся тёмными, незасвеченные -- светлыми, так как там фоторезист просто растворился в проявителе (обычная кальцинированная сода). Затем плата травится в растворе, а после фоторезист удаляется, к примеру, ацетоном.

Виды фоторезиста

В природе обитает несколько видов фоторезиста: жидкий, самоклеющаяся плёнка, позитивный, негативный. В чем разница и как выбрать себе подходящий? На мой взгляд в любительском применении особой разницы нет. Тут уж как ты наловчишься, тот вид применять и будешь. Я выделил бы только два основных критерия: цена и на сколько удобно лично мне пользоваться тем или иным фоторезистом.

Шаг 3

Травление заготовки ПП с нанесённым рисунком. Растворить незащищенную часть фолги с ПП можно множеством способов: травление в персульфате аммония, хлорном железе, . Мне нравится последний способ: быстро, чисто, дешево.

Помещаем заготовку в раствор для травления, ждем минут 10, вынимаем, промываем, зачищаем дорожки на плате и переходим к следующему этапу.

Шаг 4

Плату можно залудить либо сплавом Розе, либо Вуда, лубо просто покрыть дорожки флюсом и пройтись по ним паяльником с припоем. Сплавы Розе и Вуда -- многокомпонентные легкоплавкие сплавы. А сплав Вуда ещё и кадмий содержит. Так то в домашних условиях проводить такие работы следует под вытяжкой с фильтром. Идеально иметь простенький дымоуловитель. Ты же хочешь жить долго и счастливо?:=)

Шаг 6

Пятый шаг я пропущу, там всё понятно. А вот нанесение паяльной маски довольно интересный и не самый простой этап. Так что давай изучим его подробней.

Паяльная маска используется в процессе создания ПП для того, чтобы защитить дорожки платы от окислений, влаги, флюсов при монтаже компонентов, а также, чтобы облегчить сам монтаж. Особенно, когда используются SMD-компоненты.

Обычно, чтобы защитить дорожки ПП без маски от хим. и мех воздействий матерые радиолюбители такие дорожки покрывают слоем припоя. После лужения такая плата часто выглядит как-то не очень красиво. Но хуже, что в процессе лужения можно перегреть дорожки или повесить между ними "соплю". В первом случае проводник отвалится, а во втором придётся удалять такие нежданные "сопли", чтобы устранить короткое замыкание. Еще одним минусом является увеличение ёмкости между такими проводниками.

Прежде всего: паяльная маска довольно токсична. Все работы следует проводить в хорошо проветриваемом помещении (а лучше под вытяжкой), а также избегать попадания маски на кожу, слизистые оболочки и в глаза.

Не могу сказать, что процесс нанесения маски довольно сложный, но все же требует большого числа шагов. После обдумывания решил, что дам ссылку на более-менее подробное описание нанесения паяльной маски, так как нет сейчас возможности самостоятельно продемонстрировать процесс.

Творите, ребята, это интересно =) Создания ПП в наше время сродни не просто ремеслу, а целому искусству!

Кажется, для оверклокеров наступают трудные времена. Фирмы изготовители, как сговорившись, начали ограничивать возможность разгона своих изделий. Не знаю к добру это или к худу. Я не являюсь принципиальным противником оверклокинга, но отношусь к нему прагматически. Если от него есть какая-то польза – ради Бога. Но на своем опыте я убедился, что оверклокинг сам по себе мало что дает. Ну, разогнал я свой процессор на 40%, немножко разогнал видеокарту и... не увидел практически никаких отличий в реальной работе, за исключением температуры процессора. Было 38, стало 52, не знаю чего, но только не градусов. Пожал плечами и вернул все на место. Правда, у меня и без разгона достаточно мощный компьютер. Так, что оверклокинг, похоже, дает только моральное удовлетворение. Да и это спорно. Собственно, в чем заслуга оверклокера? В том, что ему достался хорошо гонимый процессор или повезло с конкретным экземпляром видеокарты?

Но всегда были, есть и будут люди, которым недостаточно купить хорошую вещь и просто пользоваться ей. Так что антиоверклокерские меры Intel, AMD, ATI и Nvidia могут помочь направить энергию людей, чувствующих зуд в руках, в более перспективное русло.

На мой взгляд, гораздо полезнее и с практической точки зрения и для получения морального удовлетворения моддинг. Но не простое украшательство, а изменения и дополнения, повышающие функциональность и удобство работы. Вот так, навскидку, можно предложить, например, многоканальный электронный термометр, для оперативного и независимого от произвола биосописателей контроля температуры во всех критичных точках, встроенный 6-8 канальный усилитель для пассивных колонок (ух, достало меня хрипение китайской дешевки!), устройства для аппаратного переключения винчестеров (полезно для размещения на одном компьютере нескольких конфликтующих между собой операционных систем и защиты архива от вирусов), электронная система управления водяным охлаждением и т.п.

Здесь хотелось бы отметить статьи "Все, что вы хотели сделать руками, но боялись спросить..." и "Индикатор загрузки HDD" . Их можно рассматривать как первых ласточек этого, на мой взгляд, чрезвычайно перспективного подхода.

Еще больше тех, кто мог бы повторить готовую разработку. Проблема в технологии. Изготовление качественных печатных плат в домашних условиях достаточно проблематично, а заказывать их в специализированных фирмах дорого и долго. Да и часть кайфа теряется.

Выбор носителя

Как выяснилось, в качестве носителя изображения можно использовать только специальную пленку для лазерных принтеров. Любой тип бумаги непригоден. Пленка должна быть тонкой и с бумажной подложкой. Дорогие типы пленок имеют специальный подслой для прочного закрепления изображения и тоже непригодны. В последнее время я пользуюсь пленкой фирмы EMTEK, потому что пленка фирмы Xerox у нас исчезла из продажи, но Xerox лучше. Она меньше коробится при нагревании. Тонер лучше использовать легкоплавкий. Вначале я пользовался родным тонером картриджа Samsung ML-1250. Он обеспечивает очень хорошее плотное изображение. После перезаправки картриджа тонером Xerox 8T, как мне посоветовали в сервис-центре, изображение стало хуже и платы вообще перестали получаться, что и подвигло меня на исследования. Но, усовершенствовав технологию, я добился отличных результатов и с этим тонером.

Подготовка заготовки

Для получения хорошего результата подготовка поверхности заготовки имеет решающее значение. Поверхность должна быть идеально чистой и ровной. Протирка спиртом, ацетоном или любыми чистящими средствами недостаточна. Процедура подготовки поверхности следующая. Вначале чистим поверхность от грубых загрязнений порошком Пемолюкс. Промываем заготовку ватным тампоном, не касаясь поверхности пальцами. Помещаем ее в раствор хлорного железа на 10-15 сек. При этом стравливается тонкий верхний слой вместе со всеми загрязнениями. Промываем заготовку под струей воды ватным тампоном. Стряхиваем воду и сушим, не прикасаясь к поверхности ничем. Если все сделано правильно, должна получиться темно-розовая матовая поверхность, возможно с небольшими разводами. Главное, не должно быть блестящих участков. Если они есть, процедуру повторить.

Накатывание рисунка

Обычно рекомендуют положить заготовку, на нее носитель и проглаживать это утюгом. В идеальных условиях это возможно и пройдет, но реально как поверхность заготовки, так и подошва утюга не вполне ровны и равномерного прижатия горячего носителя к поверхности заготовки получить не удастся. Кроме того, процесс невозможно контролировать и приходится надеяться на удачу. Поэтому я закрепляю утюг подошвой вверх, кладу на него чистый лист бумаги, чтобы случайно не повредить подошву, а на него заготовку. Утюг должен быть разогрет до температуры, при которой бумага еще не желтеет, но и не менее. Сверху укладываю пленку с нанесенным рисунком и прикатываю ее специальным приспособлением, сделанным из прижимного ролика магнитофона. Прикатывание нужно начинать с центра, выдавливая воздух из-под пленки в стороны. После того как пленка плотно приляжет к поверхности заготовки, увеличиваем усилие прикатки и тщательно проходимся по всей плате. Снимаем заготовку с утюга и остужаем ее. Снимать пленку с заготовки можно только после полного остывания. Если все сделано правильно, весь тонер перейдет на плату, а на пленке останутся слабые розоватые следы. Повторно пленку использовать нельзя.

Закрепление рисунка

Несмотря на то, что внешне рисунок выглядит почти идеально, сразу травить плату нельзя. Слой тонера получается пористым. Если сразу протравить плату, а потом посмотреть получившиеся проводники под микроскопом или сильной лупой, отчетливо видны подтравившиеся точки, а края проводника получаются неровными. Чтобы избежать этого, рисунок на плате покрываем 10% раствором канифоли в спирте и снова укладываем на утюг. Температура должна быть выставлена максимальной, так чтобы бумага желтела и дымилась. Выдерживаем 10 минут. При этом тонер сплавляется с канифолью, образуя очень прочный, однородный блестящий слой. Остужаем плату и проявляем рисунок тампоном со спиртом. Канифоль, сплавленная с тонером, в спирте не растворяется, а остатки неиспарившейся канифоли с пробельных участков удаляются без особого труда. При протирке можно прилагать значительные усилия. Сплав тонера и канифоли держится очень прочно, даже шкуркой удалить его трудно. Если же где-то рисунок будет поврежден, значит такая у него судьба. Лучше обнаружить плохо прикатанный проводник на этапе протирки, чем после травления. При неудаче, рисунок смываем ацетоном и повторяем все с самого начала. Это бывает редко.

Травление платы

Травление производим в растворе хлорного железа. Раствор можно подогреть до температуры 50-60 градусов. Никаких особенностей нет. После травления плату промываем водой и смываем защитное покрытие ацетоном.

Достигнутые результаты

По вышеописанной технологии изготовлялись односторонние печатные платы размером до 100х150 мм. Технология позволяет проводить один проводник между ножками микросхем в корпусах DIP, поэтому потребность в двусторонних платах у меня пока не возникала. Задумка о модификации технологии для двусторонних плат у меня есть, но пока не пробовал. Весь цикл изготовления платы занимает около двух часов, без учета времени потраченного на разводку. Плата получается с первого раза в 9 случаях из 10.

P.S. Это моя первая статья для Вас. Если эта тематика представляет для Вас интерес, пришлю еще. У меня много материалов.

С уважением, С. Веремеенко.

Что представляет из себя печатная плат а ?

Печатная плат а или плат а , представляет собой пластину или панель состоящее из одного или двух проводящих рисунков, расположенных на поверхности диэлектрического основания, или из системы проводящих рисунков, расположенных в объеме и на поверхности диэлектрического основания, соединенных между собой в соответствии с принципиальной электрической схемой, предназначенное для электрического соединения и механического крепления устанавливаемых на нем изделий электронной техники, квантовой электроники и электротехнических изделий - пассивных и активных электронных компонентов.

Самый простой печатной плат ой является плат а , которая содержит медные проводники на одной из сторон печатной плат ы и связывает элементы проводящего рисунка только на одной из ее поверхностей. Такие плат ы известны как однослойные печатной плат ы или односторонние печатные плат ы (сокращенно - ОПП ).

На сегодняшний день, самые популярные в производстве и наиболее распространенные печатные плат ы , которые содержат два слоя, то есть, содержащие проводящий рисунок с обеих сторон плат ы – двухсторонни (двухслойные) печатные плат ы (сокращённо ДПП ). Для соединения проводников между слоями используются сквозные монтаж ные и переходные металлизированные отверстия. Тем не менее, в зависимости от физической сложности конструкции печатной плат ы , когда разводка проводников на двусторонней плат е становится слишком сложной, на производстве заказ ывается многослойные печатные плат ы (сокращённо МПП ), где проводящий рисунок формируется не только на двух внешних сторонах плат ы , но и во внутренних слоях диэлектрика. В зависимости от сложности, многослойные печатные плат ы могут быть изготовлены из 4,6, ….24 или более слоев.

>
Рис 1. Пример двухслойной печатной плат ы с защитной паяльной маской и маркировкой.

Для монтаж а электронных компонентов на печатные плат ы , необходима технологическая операция - пайка, применяемая для получения неразъёмного соединения деталей из различных металлов путём введения между контактами деталей расплавленного металла - припоя, имеющего более низкую температуру плавления, чем материалы соединяемых деталей. Спаиваемые контакты деталей, а также припой и флюс вводятся в соприкосновение и подвергаются нагреву с температурой выше температуры плавления припоя, но ниже температуры плавления спаиваемых деталей. В результате, припой переходит в жидкое состояние и смачивает поверхности деталей. После этого нагрев прекращается, и припой переходит в твёрдую фазу, образуя соединение. Этот процесс можно сделать вручную или с помощью специализированной техники.

Перед пайкой, компоненты размещаются на печатной плат е выводами компонентов в сквозные отверстия плат ы и припаиваются к контактным площадкам и/или металлизированной внутренней поверхности отверстия – т.н. технология монтаж а в отверстия (THT Through Hole Technology - технология монтаж а в отверстия или др. словами - штыревой монтаж или DIP-монтаж ). Так же, все большее распространение, в особенности, в массовом и крупносерийном производстве, получила более прогрессивная технология поверхностного монтаж а - также называемая ТМП (технология монтаж а на поверхность) или SMT (surface mount technology) или SMD-технология (от surface mount device – прибор, монтируемый на поверхность). Основным ее отличием от «традиционной» технологии монтаж а в отверстия является то, что компоненты монтируются и паяются на контактные площадки (англ. land), являющиеся частью проводящего рисунка на поверхности печатной плат ы . В технологии поверхностного монтаж а , как правило, применяются два метода пайки: пайка оплавлением припойной пасты и пайка волной. Основное преимущество метода пайки волной – возможность одновременной пайки компонентов, монтируемых как на поверхность плат ы , так и в отверстия. При этом пайка волной является самым производительным методом пайки при монтаж е в отверстия. Пайка оплавлением основана на применении специального технологического материала – паяльной пасты. Она содержит три основных составляющих: припой, флюс (активаторы) и органические наполнители. Паяльная паста наносится на контактные площадки либо с помощью дозатора, либо через трафарет , затем устанавливаются электронные компоненты выводами на паяльную пасту и далее, процесс оплавления припоя, содержащегося в паяльной пасте, выполняется в специальных печах путем нагрева печатной плат ы с компонентами.

Для избежания и/или предотвращения случайного короткого замыкания проводников из разных цепей в процессе пайки, производители печатных плат применяют защитную паяльную маску (англ. solder mask; она же «зеленка») – слой прочного полимерного материала, предназначенного для защиты проводников от попадания припоя и флюса при пайке, а также от перегрева. Паяльная маска закрывает проводники и оставляет открытыми контактные площадки и ножевые разъемы. Наиболее распространенные цвета паяльной маски, используемые в печатных плат а х - зеленый, затем красный и синий. Следует иметь в виду, что паяльная маска не защищает плат у от влаги в процессе эксплуатации плат ы и для влагозащиты используются специальные органические покрытия.

В наиболее популярных программах систем автоматизированного проектирования печатных плат и электронных приборов (сокращённо САПР - CAM350, P-CAD, Protel DXP, SPECCTRA, OrCAD, Allegro , Expedition PCB, Genesis), как правило, существуют правила, связанные с паяльной маской. Эти правила определяют расстояние/отступ, которое необходимо соблюсти, между краем паяемой площадки и границей паяльной маски. Эта концепция иллюстрируется на рисунке 2 (а).

Шелкография или маркировка.

Маркировка (англ. Silkscreen, legend) является процессом, в котором производитель наносит информацию о электронных компонентах и которая способствует облегчить процесс сборки, проверки и ремонта. Как правило, маркировка наносится для обозначения контрольных точек, а также положения, ориентации и номинала электронных компонентов. Также она может быть использована для любых целей конструктора печатных плат , например, указать название компании, инструкцию по настройке (это широко используется в старых материнских плат а х персональных компьютеров) и др. Маркировку можно наносить на обе стороны плат ы и ее, как правило, наносят методом сеткографии(шелкография) специальной краской (с термическим или УФ отверждением) белого, желтого или черного цвета. На рисунке 2 (b) показаны обозначение и область расположения компонентов, выполненные маркировкой белого цвета.

>
Рис 2. Расстояние от площадки до маски (а) и маркировка (b)

Структура слоев в САПР

Как уже отмечалось в начале этой статьи, печатные плат ы могут быть сделаны из нескольких слоев. Когда печатная плат а разработана с помощью САПР, часто можно увидеть в структуре печатной плат ы несколько слоев, которые не соответствуют необходимым слоям с разводкой из проводящего материала (меди). Например, слои с маркировкой и паяльной маской являются непроводящими слоями. Наличие проводящих и непроводящих слоев может привести к путанице, так как производители используют термин слой, когда они имеют в виду только токопроводящие слои. С этого момента, мы будем использовать термин «слои» без «САПР», только когда речь идет о проводящих слоях. Если мы используем термин «слои САПР» мы имеем в виду все виды слоев, то есть проводящие и непроводящие слои.

Структура слоев в САПР:

слои САПР (проводящие и непроводящие)	описание
	Top silkscreen - верхний слой маркировки (непроводящий)

	Top soldermask – верхний слой паяльной маски (непроводящий)

	Top paste mask – верхний слой паяльной пасты (непроводящий)

	Top Layer 1 – первый/верхний слой (проводящий)



	Int Layer 2 – второй/внутренний слой (проводящий)



	Substrate - базовый диэлектрик (непроводящий)

	Bottom Layer n - нижний слой(проводящие)

	Bottom paste mask - Нижний слой паяльной пасты (непроводящий)

	Bottom soldermask Нижний слой паяльной маски (непроводящий)

	Bottom silkscreen Нижний слой маркировки (непроводящий)

На рисунке 3. показаны три различных структур слоев. Оранжевый цвет подчеркивает проводящие слои в каждой структуре. Высота структуры или толщина печатной плат ы может варьироваться в зависимости от назначения, однако наиболее часто используется толщина 1,5мм.

>
Рис 3. Пример 3 различных структур печатных плат : 2-х слойная(а), 4-х слойная (b) и 6-и слойная(с)

Типы корпусов электронных компонентов

Сегодня на рынке присутствует большое разнообразие типов корпусов электронных компонентов. Обычно, для одного пассивного или активного элемента существует несколько типов корпусов. Например, вы можете найти одну и ту же микросхему и в корпусе QFP (от англ. Quad Flat Package - семейство корпусов микросхем, имеющих планарные выводы, расположенные по всем четырём сторонам) и в корпусе LCC (от англ. Leadless Chip Carrier - представляет собой низкопрофильный квадратный керамический корпус с расположенными на его нижней части контактами).

В основном существует 3 больших семейств электронных корпусов:

		Описание
		корпуса для монтаж а в отверстия, которые имеют контакты, предназначенные для сквозной установки через монтаж ные отверстие в печатной плат е. Такие компоненты паяются на противоположной стороне плат ы , где был вставлен компонент. Как правило, эти компоненты смонтированы только на одной стороне печатной плат ы .



	SMD / SMT	корпуса для поверхностного монтаж а , которые паяются на одну сторону плат ы , где помещен компонент. Преимущество этого вида компоновки корпуса является то, что он может быть установлен на обе стороны печатной плат ы и кроме того, эти компоненты меньше чем корпуса для монтаж а в отверстия и позволяют проектировать плат ы меньших габаритов и с более плотной разводкой проводников на печатных плат а х.



		(Ball Grid Array- массив шариков -тип корпуса поверхностно-монтируемых интегральных микросхем). BGA выводы представляют собой, шарики из припоя, нанесённые на контактные площадки с обратной стороны микросхемы. Микросхему располагают на печатной плат е и нагревают с помощью паяльной станции или инфракрасного источника, так что шарики начинают плавиться. Поверхностное натяжение заставляет расплавленный припой зафиксировать микросхему ровно над тем местом, где она должна находиться на плат е. У BGA длина проводника очень мала, и определяется расстоянием между плат ой и микросхемой, таким образом, применение BGA позволяет увеличить диапазон рабочих частот и увеличить скорость обработки информации. Так же технология BGA имеет лучший тепловой контакт между микросхемой и плат ой, что в большинстве случаев избавляет от установки теплоотводов, поскольку тепло уходит от кристалла на плат у более эффективно. Чаще всего BGA используется в компьютерных мобильных процессорах, чипсетах и современных графических процессорах.

Контактная площадка печатной плат ы (англ. land)

Контактная площадка печатной плат ы - часть проводящего рисунка печатной плат ы , используемая для электрического подсоединения устанавливаемых изделий электронной техники. Контактная площадка печатной плат ы представляет собой открытые от паяльной маски части медного проводника, куда и припаиваются выводы компонентов. Есть два типа площадок – контактные площадки монтаж ных отверстий для монтаж а в отверстия и планарные площадки для поверхностного монтаж а - SMD площадки. Иногда, SMD площадки с переходным отверстием очень похожи на площадки для монтаж а в отверстия.

На рисунке 4 представлены контактные площадки для 4х разных электронных компонентов. Восемь для IC1 и две для R1 SMD площадки, соответственно, а так же три площадки с отверстиями для Q1 и PW электронных компонентов.

>
Рис 4. Площадки для поверхностного монтаж а (IC1, R1) и контактные площадки для монтаж а в отверстия (Q1, PW).

Медные проводники

Медные проводники используется для подключения двух точек на печатной плат е -например, для подключения между двумя SMD площадками (рисунок 5.), или для подключения SMD площадки к площадке монтаж ного отверстия или для соединения двух переходных отверстия.

Проводники могут иметь разную, рассчитанную ширину в зависимости от токов, протекающих через них. Так же, на высоких частотах, необходимо рассчитывать ширину проводников и зазоры между ними, так как сопротивление, емкость и индуктивность системы проводников зависит от их длинны, ширины и их взаимного расположения.

>
Рисунок 5. Соединение двумя проводниками двух SMD микросхем.

Сквозные металлизированные переходные отверстие печатной плат ы

Когда надо соединить компонент, который находится на верхнем слое печатной плат ы с компонентом, который находится на нижнем слое, применяются сквозные металлизированные переходные отверстия, которые соединяют элементы проводящего рисунка на разных слоях печатной плат ы . Эти отверстия, позволяют току проходить сквозь печатную плат у. На рисунке 6 показаны два проводника, которые начинаются на площадках компонентов на верхнем слое и заканчивается на площадках другого компонента на нижнем слое. Для каждого проводника установлено свое переходное отверстие, проводящее ток из верхнего слоя на нижний слой.

Рисунок 6. Соединение двух микросхем через проводники и переходные металлизированные отверстия на разных сторонах печатной плат ы

На рисунке 7 более детально дано представление о поперечном сечении 4-слойных печатных плат . Здесь цветами обозначены следующие слои:

На модели печатной плат ы , на рисунке 7 показан проводник (красный), который принадлежит к верхнему проводящему слою, и который проходит сквозь плат у с помощью сквозного переходного отверстия, а затем продолжает свой путь по нижнему слою(синий).

Рисунок 7. Проводник из верхнего слоя, проходящий через печатную плат у и продолжающий свой путь на нижнем слое.

«Глухое» металлизированное отверстие печатной плат ы

В HDI (High Density Interconnect - высокая плотность соединений) печатных плат а х, необходимо использовать более чем два слоя, как это показано на рисунке 7. Как правило, в многослойных конструкциях печатной плат ы , на которых устанавливаются много интегральных микросхем, используются отдельные слои для питания и земли (Vcc или GND), и таким образом, наружные сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников. Также бывают случаи, что сигнальные проводники должны переходить от внешнего слоя (сверху или снизу) по наименьшему пути, что бы обеспечить необходимое волновое сопротивление, требования по гальванической развязке и заканчивая требованиями на устойчивость к электростатическому разряду. Для таких видов соединений используются глухие металлизированные отверстие (Blind via - «глухие» или «слепые»). Имеются в виду отверстия, соединяющие наружный слой с одним или несколькими внутренними, что позволяет сделать подключение минимальным по высоте. Глухое отверстие начинается на внешнем слое и заканчивается на внутреннем слое, поэтому оно имеет префикс «глухое».

Чтобы узнать, какое отверстие присутствует на плат е, вы можете поместить печатную плат у над источником света и посмотреть - если вы видите свет, идущий от источника через отверстие, то это переходное отверстие, в противном случае глухое.

Глухие переходные отверстия полезно использовать в конструкции плат ы , когда вы ограничены в размерах и имеете слишком мало места для размещения компонентов и разводки сигнальных проводников. Вы можете разместить электронные компоненты с обеих сторон и максимально увеличить пространство под разводку и другие компоненты. Если переходы сделаны через сквозные отверстие, а не глухие, понадобиться дополнительное пространство для отверстий т.к. отверстие занимает место с обеих сторон. В то же время глухие отверстия могут находиться под корпусом микросхемы – например для разводки больших и сложных BGA компонентов.

На рисунке 8 показаны три отверстия, которые являются частью четырехслойной печатной плат ы . Если смотреть слева направо, то первое мы увидим сквозное отверстие через все слои. Второе отверстие начинается в верхнем слое и заканчивается на втором внутреннем слое - глухое переходное отверстия L1-L2. Наконец, третье отверстие, начинается в нижнем слое и заканчивается в третьем слое, поэтому мы говорим, что это глухое переходное отверстия L3-L4.

Основным недостатком этого типа отверстия, является более высокая цена изготовления печатной плат ы с глухими отверстиями, по сравнению с альтернативными сквозными отверстиями.

>
Рис 8. Сравнение переходного сквозного отверстие и глухих переходных отверстий.

Скрытые переходные отверстия

Англ. Buried via - «скрытые», «погребенные», «встроенные». Эти переходные отверстия похожи на глухие, с той разницей, что они начинаются и заканчиваются на внутренних слоях. Если мы посмотрим на рисунок 9 слева направо, мы увидим, что первое отверстие сквозное через все слои. Второе представляет собой глухое переходное отверстия L1-L2, а последнее является, скрытое переходное отверстие L2-L3, которое начинается на втором слое и заканчивается на третьем слое.

Рисунок 9. Сравнение переходного сквозного отверстие, глухого отверстия и скрытого отверстия.

Технология изготовления глухих и скрытых переходных отверстий

Технология изготовления таких отверстий может быть различной, в зависимости от той конструкции, которую заложил разработчик, и в зависимости от возможностей завод а-изготовителя. Мы будем выделять два основных вида:

Отверстие сверлится в двусторонней заготовке ДПП , металлизируется, травиться и затем эта заготовка, по сути готовая двухслойная печатная плат а , прессуется через препрег в составе многослойной заготовки печатной плат ы . Если эта заготовка находиться сверху «пирога» МПП , то мы получаем глухие отверстия, если в середине, то - скрытые переходные отверстия.

Отверстие сверлится в спрессованной заготовке МПП , глубина сверления контролируется, что бы точно попасть в площадки внутренних слоев, и затем происходит металлизация отверстия. Таким образом мы получаем только глухие отверстия.

В сложных конструкциях МПП могут применяться комбинации вышеперечисленных видов отверстий – рисунок 10.

Рисунок 10. Пример типовой комбинации видов переходных отверстий.

Заметим, что применение глухих отверстий иногда может привести к удешевлению проекта в целом, за счет экономии на общем количестве слоев, лучшей трассируемости, уменьшения размера печатной плат ы , а также возможности применить компоненты с более мелким шагом. Однако в каждом конкретном случае решение об их применении следует принимать индивидуально и обоснованно. Однако не следует злоупотреблять сложностью и многообразием видов глухих и скрытых отверстий. Опыт показывает, что при выборе между добавлением в проект еще одного вида несквозных отверстий и добавлением еще одной пары слоев правильнее будет добавить пару слоев. В любом случае, конструкция МПП должна быть спроектирована с учетом того, как именно она будет реализована в производстве.

Финишные металлические защитные покрытия

Получение правильных и надежных паяных соединений в электронном оборудовании зависит от многих конструктивных и технологических факторов, включая должный уровень паяемости соединяемых элементов, таких как компоненты и печатные проводники. Для сохранения паяемости печатных плат до монтаж а электронных компонентов, обеспечения плоскостности покрытия и для надежного монтаж а паяных соединений необходимо защищать медную поверхность контактных площадок печатной плат ы от окисления, так называемым финишным металлическим защитным покрытием.

При взгляде на разные печатные плат ы , можно заметить, что контактные площадки почти не когда не имеют цвет меди, зачастую и в основном это серебристые цвета, блестящий золотой или матовый серый. Эти цвета и определяют типы финишных металлических защитных покрытий.

Наиболее распространенным методом защиты паяемых поверхностей печатных плат является покрытие медных контактных площадок слоем серебристого сплава олово-свинеца (ПОС-63) - HASL. Большинство изготавливаемых печатных плат защищены методом HASL. Горячее лужение HASL - процесс горячего облуживания плат ы , методом погружения на ограниченное время в ванну с расплавленным припоем и при быстрой выемке обдувкой струей горячего воздуха, убирающей излишки припоя и выравнивающей покрытие. Это покрытие доминирует в течение нескольких последних лет, несмотря на его серьезные технические ограничения. Плат ы , выпущенные таким способом, хотя и хорошо сохраняют паяемость в течение всего периода хранения, непригодны для некоторых применений. Высокоинтегрированные элементы, используемые в SMT технологиях монтаж а , требуют идеальной планарности (плоскостности) контактных площадок печатных плат . Традиционные покрытия HASL не соответствуют требованиям планарности.

Технологии нанесения покрытий, соответствующие требованиям планарности, это наносимое химическими методами покрытия:

Иммерсионное золочение (Electroless Nickel / Immersion Gold - ENIG), представляющее собой тонкую золотую пленку, наносимую поверх подслоя никеля. Функция золота - обеспечивать хорошую паяемость и защищать никель от окисления, а сам никель служит барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди. Это покрытие гарантирует превосходную планарность контактных площадок без повреждения печатных плат , обеспечивает достаточную прочность паяных соединений, выполненных припоями на основе олова. Их главный недостаток - высокая себестоимость производства.

Иммерсионное олово (Immersion Tin - ISn) – серое матовое химическое покрытие, обеспечивающее высокую плоскостность печатных площадок плат ы и совместимое со всеми способами пайки, нежели ENIG. Процесс нанесения иммерсионного олова, схож с процессом нанесения иммерсионного золота. Иммерсионное олово обеспечивает хорошую паяемость после длительного хранения, которое обеспечивается введением подслоя органометалла в качестве барьера между медью контактных площадок и непосредственно оловом. Однако, плат ы , покрытые иммерсионным оловом, требуют осторожного обращения, должны хранится в вакуумной упаковке в шкафах сухого хранения и плат ы с этим покрытием не пригодны для производства клавиатур/сенсорных панелей.

При эксплуатации компьютеров, устройств с ножевыми разъемами, контакты ножевых разъемов, подвергаются трению при эксплуатации плат ы , поэтому, концевые контакты, гальваническим способом покрывают более толстым и более жестким слоем золота. Гальваническое золочение ножевых разъёмов (Gold Fingers) - покрытие семейства Ni/Au, толщина покрытия: 5 -6 Ni; 1,5 – 3 мкм Au. Покрытие наносится электрохимическим осаждением (гальваника) и используется в основном для нанесения на концевые контакты и ламели. Толстое, золотое покрытие имеет высокую механическую прочность, стойкость к истиранию и неблагоприятному воздействию окружающей среды. Незаменимо там, где важно обеспечить надежный и долговечный электрический контакт.

>
Рисунок 11. Примеры металлических защитных покрытий - олово-свинец, иммерсионное золочение, иммерсионное олово, гальваническое золочение ножевых разъёмов.

На страницах сайта уже заходила речь о так называемой «карандашной технологии» изготовления печатных плат . Метод прост и доступен – корректирующий карандаш можно купить практически в любом магазине, торгующем канцелярскими товарами. Но есть и ограничения. Те, кто пробовал рисовать рисунок печатной платы с помощью корректирующего карандаша, заметили, что минимальная ширина получаемой дорожки вряд ли будет меньше 1,5-2,5 миллиметров.

Это обстоятельство накладывает ограничения на изготовление печатных плат, которые имеют тонкие дорожки и малое расстояние между ними. Известно, что шаг между выводами микросхем, выполненных в корпусе для поверхностного монтажа очень мал. Поэтому, если требуется изготовить печатную плату с наличием тонких дорожек и малым расстоянием между ними то «карандашная» технология не подойдёт. Также стоит отметить, что нанесение рисунка корректирующим карандашом не очень удобно, дорожки получаются не всегда ровные, а медные пятачки для запайки выводов радиодеталей выходят не очень аккуратные. Поэтому приходится корректировать рисунок печатной платы острым лезвием бритвы или скальпелем.

Выходом из сложившейся ситуации может быть использование маркера для печатных плат, который прекрасно подходит для нанесения устойчивого к травлению слоя. По незнанию можно приобрести маркер для нанесения надписей и пометок на CD/DVD-диски. Такой маркер не годится для изготовления печатных плат – раствор хлорного железа разъедает рисунок такого маркера, и медные дорожки практически полностью вытравливаются. Но, несмотря на это, в продаже имеются маркеры, которые годятся не только для нанесения надписей и пометок на различные материалы (CD/DVD-диски, пластмассу, изоляцию проводов), но и для изготовления устойчивого к травлению защитного слоя.

На практике был применён маркер для печатных плат Edding 792 . Он позволяет рисовать линии шириной 0,8-1 мм. Этого достаточно для изготовления большого количества печатных плат для самодельных электронных устройств. Как оказалось, данный маркер прекрасно справляется с поставленной задачей. Печатная плата получилась довольно неплохой, хотя и рисовалась второпях. Взгляните.

Печатная плата (сделано с помощью маркера Edding 792)

К слову сказать, маркер Edding 792 также можно использовать для исправления ошибок и помарок, которые получились при переносе рисунка печатной платы на заготовку методом ЛУТ (лазерно-утюжной технологии). Такое бывает, особенно, если печатная плата довольно больших размеров и со сложным рисунком. Это очень удобно, так как нет необходимости снова полностью переносить весь рисунок на заготовку.

Если найти маркер Edding 792 не удастся, то подойдёт Edding 791 , Edding 780 . Их также можно использовать для рисования печатных плат.

Наверняка начинающим любителям электроники интересен сам технологический процесс изготовления печатной платы с помощью маркера, поэтому дальше пойдёт рассказ именно об этом.

Весь процесс изготовления печатной платы аналогичен тому, который описан в статье «Изготовление печатной платы "карандашным" методом ». Вот краткий алгоритм:

Немного «тонкостей».

О сверлении отверстий.

Есть мнение, что сверлить отверстия в печатной плате нужно после травления. Как видим, в приведённом алгоритме сверловка отверстий стоит до травления печатной платы в растворе. В принципе, можно сверлить хоть до травления печатной платы, хоть после. С технологической точки зрения никаких ограничений нет. Но, стоит учитывать, что качество сверловки напрямую зависит от инструмента, которым производится сверловка отверстий.

Если сверлильный станок развивает хорошие обороты и в наличии есть качественные свёрла, то можно сверлить и после травления – результат будет хороший. Но, если сверлить отверстия в плате самопальной минидрелью на базе слабенького моторчика с плохой центровкой, то можно запросто содрать медные пятачки под выводы.

Также многое зависит от качества текстолита, гетинакса или стеклотекстолита. Поэтому в приведённом алгоритме сверловка отверстий стоит до травления печатной платы. При таком алгоритме медные края, оставшиеся после сверления легко убрать наждачной бумагой и заодно очистить медную поверхность от загрязнений, если таковые имеются. Как известно, загрязнённая поверхность медной фольги плохо вытравливается в растворе.

Чем растворить защитный слой маркера?

После травления в растворе защитный слой, который наносили маркером Edding 792 легко убрать растворителем. На деле использовался «Уайт-спирит». Воняет он, конечно, противно, но защитный слой смывает на ура. Остатков лака не остаётся.

Подготовка печатной платы к лужению медных дорожек.

После того, как защитный слой убран, можно на несколько секунд закинуть заготовку печатной платы опять в раствор. При этом поверхность медных дорожек чуть подтравится и станет ярко-розового цвета. Такая медь лучше покрывается припоем при последующем лужении дорожек, так как на её поверхности нет окислов и мелких загрязнений. Правда лужение дорожек нужно производить сразу, иначе медь на открытом воздухе вновь покроется слоем окисла.

Готовое устройство после сборки

При изготовлении печатных плат дома, самый простой и распространенный метод, это метод ЛУТ.

Этот способ не лишен недостатков. Если тонер нагреть слабо, то он не прилипнет к фольге печатной платы, сильно нагреть- он смажется. Надо подбирать качество печати, если тонера будет много – он размажется, дорожки, при маленьких промежутках, могут слипнуться друг с другом. Плохо прогреть напечатанную плату, и часть дорожек не отпечатается, особенно это часто случается в углах печатных плат.

Я расскажу вам о способе перевода распечатанного рисунка на фольгу без нагрева. Рисунок не будет смазываться, тонер с бумаги переносится весь. Для этого понадобится два дешевых химических компонента: спирт и ацетон.

Вместо ацетона можно использовать любое другое вещество, которое хорошо растворяет тонер.

Спирт не реагирует с тонером, это знает каждый, кто пытался оттереть им печатную плату после травления, но он быстро улетучивается. Он нужен для того, чтобы разбавить ацетон.

Ацетон отлично растворяет тонер и тоже быстро испаряется. Если попытаться использовать его в чистом виде- он смажет ваш рисунок, как на фото.

На печатной плате получится какая-то размазня.

В каких пропорциях смешивать ацетон и спирт?

Понадобится три части ацетона и восемь частей спирта. Все это надо перемешать и залить в какую-нибудь емкость с плотной крышкой. Важно, чтобы емкость не растворялась ацетоном.

Как пользоваться смесью?

Наберите не много получившейся смеси в шприц,

Нанесите ее на предварительно зачищенную от окислов и хорошо обезжиренную (это важно), будущую печатную плату (не на распечатку). После этого положите на нее вашу распечатку. Особо можно не торопиться, смесь не выветривается моментально. Слегка нажмите на бумагу, чтобы она полностью прилегла к плате и пропиталась раствором,

Подождите 10-15 сек., вы увидите, когда бумага пропитается,

После этого прижмите бумагу сильно, прижимайте бумагу строго перпендикулярно, чтобы она не сдвинулась. Подождите еще 10-20 сек. За это время тонер вступит в реакцию с ацетоном, станет липким и приклеится к плате. Бумажными салфетками промокните остатки жидкости, подождите, пока бумага высохнет, после этого опустите плату в воду, чтобы бумага намокла, и отклейте ее. Весь тонер останется на плате, а бумага будет чистая. После этого промойте плату от остатков ацетона. Все. Можно травить печатную плату.
На фото, я снял бумагу не размачивая ее в воде и тонер местами остался.