Что такое печатная плата?

Что такое печатная плата?

Печатная плата (также часто называемая просто ПП) – пластина, в основном, из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи и элементы электронной схемы.

Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.

Использование печатных плат предельно широко – практически 100% современных электронных устройств включает в свою конструкцию одну или даже несколько ПП – от крупной бытовой техники до мобильной электроники и спецоборудования.

Типовая структура

Структура ПП стандартна, но современные методы производства позволяют в достаточной степени ее усложнить. Основная цель – достичь более высокой плотности монтажа компонентной базы, тем самым получив более компактное изделие. Послойно структура у них следующая:

• Основание. В основном используются различные ламинаты (FR-4) или же стеклотекстолиты. Но возможно и «отступление от правила» – использование металлических оснований, например, алюминия, играющего роль «радиатора» для плат с большим количеством теплонагруженных элементов. Для плат, работающих в СВЧ-диапазоне, применяют материалы с армированием фторопластам и керамикой. В гибких и гибко-жестких платах применяются полиимидные материалы. В любом случае, используемое основание ПП выступает базой для монтажа компонентов, обеспечивает необходимый запас прочности изделия, а также выступает изолятором между токопроводящими слоями, дорожками и контактами.
• Токопроводящий слой. В самой простой конструкции ПП он находится сверху. Представляет собой медную фольгу, на которой сформирован рисунок схемы согласно конструкторской документации. В токопроводящем слое формируются дорожки, соединяющие выводы компонентов. Сложность формы и плотность размещения дорожек зависят от сложности устройства и количества компонентов.
• Защитная паяльная маска. Это фотополимерный материал, который обычно наносится на медные дорожки ПП и основание для защиты от окисления и предотвращения образования паяных перемычек между близко расположенными паяными площадками, защищает диэлектрическое основание платы от воздействия высоких температур при монтаже ПП.

Виды печатных плат

Существует много типов классификации ПП.

В рамках данной статьи мы рассмотрим следующие критерии: тип применяемого основания, гибкость и количество слоев.

По применяемому основанию ПП делятся на: ПП на диэлектрические (гетинакс, стеклопластик, полиимид, фторопласт, керамика) и металлические (алюминий, железно-никелевые сплавы, титан, низкоуглеродистая сталь). Коротко об их применении было написано выше.

ПП по критерию гибкости делятся на:

• Жесткие. Это печатная плата с основанием из твёрдого материала, который не может сгибаться или деформироваться и не может быть изменён после изготовления.

• Гибкие. Это печатная плата, основа которой (диэлектрик) сделана из гибкого материала и может свободно изгибаться. Это позволяет осуществлять монтаж в труднодоступных местах, уменьшать габариты изделий, а также использовать такие платы в качестве гибких соединителей. Обычно используется в компактных устройствах, например, в мобильной электронике.

• Жестко-гибкие. Это гибридная конструкция, которая сочетает в себе свойства гибких и жёстких печатных плат, т.е. состоят из жестких фрагментов, соединенных гибкими вставками. Сочетают хорошую гибкость в тех местах, где это необходимо, с жесткостью и надежностью основных участков для установки в изделиях.

По количеству слоев ПП подразделяются на:

• Односторонние. Тип печатной платы, в которой токопроводящий слой расположен с одной стороны. Самые простые и дешевые в изготовлении, поэтому используются не только в промышленном производстве электроники, но и энтузиастами. Актуальны для несложных устройств с небольшим количеством компонентов, которые можно установить с одной стороны платы поверхностным или выводным монтажом.

• Двухсторонние. Тип печатной платы, имеющий токопроводящие слои на обеих сторонах основания, за счет чего можно создавать более сложные схемы, включая переходные отверстия от одного слоя к другому, а также располагая элементы с обеих сторон платы.

• Многослойные. Отличаются от одно- и двухсторонних тем, что токопроводящие слои расположены не только на внешних сторонах, но и внутри. Самые сложные и современные. Включают три и более слоев токопроводящих дорожек, разделенных склеивающим материалом (препрегом) и соединенных сквозными или несквозными отверстиями. Такие ПП наиболее актуальны для компактных устройств, где важно добиться максимальной плотности монтажа элементов. Достаточно сложны и дороги в производстве, так как требуют наличия специализированного оборудования.

Методы и технологии производства

Несмотря на определенное разнообразие разновидностей, актуальных методов производства ПП три:

• Субстрактивный или негативный метод. Предполагает, что необходимая часть медной фольги на подложке вытравливается, при этом нужный рисунок схемных межсоединений остаётся на своём месте. В качестве заготовки используется заготовка диэлектрика, полностью покрытая медной фольгой. На нее наносится слой фоторезиста, чувствительного к свету. При помощи экспонирования (засвечивания определенных участков) через ранее разработанный фотошаблон формируется рисунок. Оставшийся (неэкспонированный) фоторезист удаляется после процесса травления медного слоя с помощью других составов для снятия фоторезиста. То есть, на поверхности платы остаются только дорожки, соответствующие ранее спроектированной электрической схеме. Этот метод не позволяет получить металлизированные отверстия.

Тентинг-метод, который так же является субстрактивным. Суть метода в «защите» отверстий от стравливания «тентами», из фоторезиста без использования металлорезиста. Медь так же формируется за один этап металлизации.

• Аддитивный или позитивный метод. Предполагает нанесение (наращивание) токопроводящего слоя на не фольгированном материале путём химического меднения с использованием фоторезиста. Разновидностью аддитивного метода, за счет увеличившейся доступности и популярности, стало изготовление ПП методом 3D-печати.
• Комбинированный (полуаддитивный) метод. Это самый распространенный и простой метод для производства печатных плат, особенно для МПП и ПП типа High-tech. Комбинирование позитивного и негативного метода производства позволяет получить эффект – «цель оправдывает средства». Сначала формируется рисунок с тонким медным слоем, а затем медь постепенно наращивается на заготовке через ряд других технологических операций.

При этом в плане технологий производство печатных плат достаточно разнообразно. В частности, используются следующие процессы:

• Прямая (или химическая) металлизация – прямое нанесение меди методом химического осаждения на диэлектрическую основу. Позволяет создавать тонкий слой на поверхности платы и металлизировать внутренние части переходных отверстий.
• Фотолитография – метод получения рисунка схемы на поверхности базового материала.
• Механическая обработка – включает в себя несколько операций: раскрой материала, сверление металлизированных отверстий для создания связи между сторонами или слоями платы (сверление на заданную глубину), и механическая обработка контура ПП.
• Лазерная обработка – точечное воздействие лазерным лучом на материалы платы. Достаточно многофункциональная технология, которая позволяет маркировать выводы и саму плату, удалять остатки металлизированного слоя, резать плату, формировать отверстия малого диаметра и глухие отверстия и так далее.
• Прессование – применяется в производстве многослойных ПП, производство плат попарным прессованием и для сложных по структуре плат для соединения наружных и внутренних слоев в условиях повышенной температуры и давления.

Подведем итог

Что такое печатная плата для современной электроники? Это основа, на которой впоследствии с помощью различных технологий формируется готовое электронное изделие. И поэтому само по себе направление производства ПП – это важный процесс, использующий различные технологии и не перестающий развиваться, поскольку общий прогресс в электронном производстве зависит от него не меньше, чем, например, от уменьшения техпроцесса в микроэлектронике. Таким образом, уменьшение габаритов изделий, насыщение рисунка схемы, уменьшение компонентной базы в микроэлектронике заставляет и технологию печатных плат идти вперед и развиваться такими же интенсивными темпами, что способствует проектированию изделий свыше 6 класса точности и появлению технологии MSAP.