Многослойные печатные платы

Требования к уменьшению веса и объема радиоаппаратуры вызывают необходимость повышения плотности монтажа, что приводит к необходимости улучшения как конструкции, так и технологии соединений деталей и функциональных узлов.

Наиболее широко используемым способом размещения в малом объеме большого числа проводников, соединяющих отдельные схемы является применение многослойных печатных плат. Многослойная печатная плата состоит из ряда наложенных друг на друга слоев.

Многослойные печатные платы предназначены для размещения на них преимущественно многовыводных микросхем в случае, когда не представляется возможным размещение проводников на двусторонних платах. Количество слоев МПП определяют при разделении электрической схемы на функциональные цепи, при этом желательно, чтобы каждая функциональная цепь располагалась на отдельном слое (например, слой с печатным монтажом цепей питания, слой с печатным монтажом нулевого потенциала, слой с печатным монтажом сигнальных цепей и др.).

Устраняют взаимовлияние печатных слоев и отдельных проводников рациональным расположением слоев относительно друг друга или же введением экранирующих слоев или проводников.

Общая толщина МПП выбирается с учетом требований механической прочности, предъявляемых к конструкции многослойного печатного узла, и обеспечивается необходимым подбором толщин фольгированного и изоляционного материалов.

Конструктивно многослойные печатные платы можно выполнять из различных сочетаний одно- и двусторонних печатных слоев.

Комбинированные печатные платы (СВЧ+FR4)

СВЧ-материалы имеют высокие параметры (тангенс угла потерь, диэлектрическую проницаемость и т.д.) и их предпочитает большинство производителей СВЧ печатных плат. Более того, возможна комбинация СВЧ-материала производства Rogers и FR4 при изготовлении печатных плат.

Для некоторых СВЧ-устройств оптимальной подложкой является многослойная конструкция печатной платы, сочетающая в себе топологические слои радиоэлементов и традиционные коммутационные слои. В этом случае дорогостоящий СВЧ-материал комбинируется с FR-4, таким образом снижаются затраты на изделие. Отработанная технология позволяет получать многослойные структуры из сочетания FR-4 и линейки материалов СВЧ.

СВЧ печатные платы

В современных радиотехнических комплексах, системах автоматики и управления широко используются микрополосковые СВЧ-устройства различного функционального назначения. Их разработка диктует необходимость создания высокоэффективных миниатюрных узлов и модулей, обладающих высокой надежностью, быстродействием, стабильностью электрофизических параметров и характеристик, отвечающих уровням необходимой электромагнитной совместимости и обладающих низкой стоимостью. Такие тенденции требуют использования новейших конструкторско-технологических решений на всех этапах проектирования СВЧ-устройств, в том числе и современных печатных плат.

СВЧ печатные платы используются в устройствах с рабочими частотами от 500 МГц и выше. Отличительная особенность СВЧ печатных плат — широкий спектр гармонических сигналов, распространяемых по линиям передачи. Это обстоятельство находит отражение в особенностях проектирования и конструирования СВЧ плат и выдвигает специальные требования к параметрам диэлектриков и качеству изготовления элементов топологического рисунка.

Для производства СВЧ печатных плат используются высокочастотные ламинаты — армированные стекловолокном политетрафторэтиленовые, гидрокарбонатные или керамические термоактивные ламинаты с малым тангенсом угла диэлектрических потерь. Конструкция и базовая технология изготовления двухсторонних СВЧ печатных плат не отличается от обычных.

Печатные платы на металло-керамическом основании

С ростом степени интеграции элементной базы и плотности размещения компонентов на печатных платах все большее значение приобретает учет тепловых процессов. Проблему теплоотвода решают различными методами. Один из основных – применение плат с теплопроводящей основой.

Для эффективного отвода тепла основа платы должна обладать низким термическим сопротивлением. Наиболее высокой теплопроводностью обладают металлы (Al) и подложки на основе керамических материалов (Al2O3, AlN, BeO). Но последние, в силу известных причин (стоимость, механическая прочность, невозможность получения плат большого размера, сложность обработки и т.п.), используются только для специальных задач. Поэтому вот уже много лет во всем мире расширяется применение печатных плат с металлическим основанием.

Такие платы уже достаточно широко используются в светодиодных устройствах, в различных преобразователях тока, приводах электродвигателей, блоках питания, в сварочной технике и т.п.

Конструктивно материал для ПП с металлическим основанием состоит из металлического основания, диэлектрика и фольги. Толщина фольги колеблется от 35 до 350 мкм, диэлектрика – от 50 до 150 мкм, металлическое основание составляет от 0,5 до 3,2 мм. Наиболее употребительным, в частности – для светодиодной техники является металлическое основание толщиной 1–1,5 мм, диэлектрик толщиной 100 мкм, медная фольга толщиной 35 мкм.

Одно- и двусторонние печатные платы

Односторонние платы используются исключительно для одностороннего монтажа элементов через неметаллизированные отверстия. Компоненты устанавливаются на стороне платы, свободной от монтажа, и корпусом могут касаться платы и даже приклеиваться к плате. Выводы компонентов устанавливаются в монтажные отверстия и подпаиваются к контактным площадкам. Иногда в односторонних ПП для трассировки пересекающихся цепей используются перемычки, выполняемые из проволоки. Используются такие платы преимущественно в бытовой аппаратуре.

Недостатки:
1) Низкие монтажные и трассировочные возможности.
2) Невысокие надежность ПП и механическая прочность крепления элементов. Во избежание отслоения печатных проводников все элементы следует монтировать без зазоров между корпусом элемента и печатной платой.

Достоинства:
1) Обеспечивают самую большую точность выполнения проводящего рисунка и совмещения его с отверстиями.
2) Являются наиболее дешевым классом печатных плат.

В двухсторонних печатных платах проводники располагаются на обеих сторонах платы. Электрическая связь между проводниками разных сторон осуществляется переходными отверстиями, что позволяет при отсутствии ограничений на размеры платы реализовать любую схему устройства. Установка компонентов может выполняться с обеих сторон платы.

Платы с металлизацией переходных отверстий имеют высокую трассировочную способность, обеспечивают высокую плотность монтажа элементов и хорошую механическую прочность их крепления. Эти ПП допускают монтаж элементов на поверхности и являются наиболее распространенными в производстве радиоэлектронных устройств.

Гибкие печатные платы

Благодаря использованию тонких пленок гибкие печатные платы позволяют экономить вес и объем и дают ключ к созданию трехмерных конфигураций. Печатные схемы в гибкой плате могут быть развернуты на произвольный угол, обеспечивая возможность использования нескольких разъемов в заранее заданной ориентации, а также возможность сгибания для изменения ориентации. Так как ГПП значительно легче и тоньше, чем жесткая плата, масса и размеры изделия становятся меньше. Самое простое и широко распространенное применение ГПП – соединительные шлейфы (гибкие печатные кабели). Во многих электронных устройствах такие шлейфы – единственная возможность коммутации узлов изделия, так как проводные соединения занимают значительно больше места, а в ряде случаев выполнить коммутацию жгутами вообще невозможно. Применение шлейфов сложной, уникальной для каждого изделия конфигурации позволяет выполнить коммутацию максимально компактно, что важно при разработке портативных электронных устройств. Устройства на основе ГПП незаменимы, если его узлы перемещаются относительно друг друга.

Существуют несколько видов гибких диэлектриков (полиимид, полиэстер, лавсан и др.), некоторые из них обеспечивают температурную стабильность, тогда как другие позволяют снизить стоимость.
Температурная стабильность полиимидных гибких печатных плат позволяет использовать сквозные металлизированные отверстия и планарные площадки для монтажа компонентов. Полиэстерные печатные платы менее дорогостоящие, но возможность монтажа компонентов на них ограничена. Типично использование таких плат с низкотемпературной пайкой.
Гибкость печатных плат позволяет перемещать их составные части независимо, облегчая установку плат в изделие и упрощая их обслуживание в процессе эксплуатации.

Гибко-жесткие печатные платы

Эти устройства представляют собой смесь жестких и гибких, предлагая лучшее из обеих конструкций, добавляя некоторые уникальные возможности. Например, типичная жестко-гибкая конфигурация будет представлять собой ряд жестких печатных плат, соединенных интегрированными гибкими цепями. Благодаря интеграции жестких областей, добавленных в гибкие детали, проектировщики могут значительно увеличить проектные возможности своих изделий.
Компоненты схемы могут монтироваться не только с обеих сторон печатной платы, но и используется максимальная интеграция преимуществ эластичных схем в сфере вибраций и ударов.

Гибко-жесткие печатные платы имеют как ряд очевидных преимуществ по сравнению с обычными жесткими платами, так и некоторые недостатки. К преимуществам в первую очередь следует отнести уменьшение габаритов и веса изготавливаемых устройств, повышение надежности соединений за счет отказа от соединительных разъемов и обеспечение динамической гибкости готовых изделий. Проще говоря, обеспечивается плавный переход между жесткими и гибкими зонами с сохранением преимуществ каждой из них, что делает эту комбинацию лучшей для монтажа деталей с большой массой.

Что касается недостатков ГЖПП, то это относительно высокое влагопоглощение, недостаточная теплопроводность, высокий коэффициент теплового расширения, низкая температура стеклования.

Основными элементами любых гибких и гибко-жестких печатных плат являются:
Гибкий фольгированный диэлектрик, состоящий из тонкой полиимидной пленки с медью, со слоем адгезива или без него.
Адгезивы обычно применяются для склеивания слоев и прикрепления упрочнителя на края гибких шлейфов в районе разъемов.
Покровные пленки — двухслойные конструкции, состоящие из слоя гибкого полиимида, на который нанесен слой адгезива. Покровные пленки обеспечивают защиту поверхности гибкой печатной платы от внешних воздействий.
Скрепляющие пленки — трехслойные конструкции, состоящие из слоя гибкого полиимида, на который с двух сторон нанесен слой адгезива. Скрепляющие пленки служат для формирования многослойной гибкой конструкции.
Упрочнители и специализированные препреги. Последние нужны для предотвращения вытекание смолы из жесткой части на поверхность гибкой части при прессовании.

Печатные платы HDI

В стандарте IPC-2226 термин «HDI – плата» (High Density Interconnect — HDI) определяется как ПП с более высокой плотностью соединений на единицу площади поверхности по сравнению с обычными печатными платами.

При производстве МПП повышенной плотности учитывается ряд функциональных особенностей:
плотность трассировки увеличивают посредством уменьшения общей ширины проводников и зазоров между ними;
применяются различные межслойные многоуровневые переходы, включая глухие и слепые отверстия;
используются диэлектрики сверхтонкого типа RCC.

Среди основных факторов, стимулирующих развитие отрасли HDI плат, числится необходимость одновременного увеличения количества выводов сложных компонентов, межслойных соединений и уменьшения общей площади диэлектрика. Снижение количества выводных компонентов, а также корпусная миниатюризация – еще одни факторы, влияющие на актуальность развития технологии HDI.

МПП высокой плотности состоят из определенного количества последовательно чередующихся токопроводящих рисунков и диэлектрических слоев. Основное отличие HDI от обычных многослойных печатных плат заключается в использовании ультратонкой фольги и фольгированного материала с небольшой диэлектрической толщиной. Средняя ширина проводников в пластине – 0,1 мм. Как следствие — возможность производить различные элементы топологии высокого разрешения.

В некоторых моделях МПП применяют при изготовлении диэлектрические материалы на основе неармированных (стекловолокном) эпоксидных смол. Такие печатные платы называются RCC (покрытая смолой фольга из меди).

Зачастую HDI платы изготавливают послойным методом наращивания и/или попарным прессованием. Связано это с тем, что существует необходимость создания в структуре платы двух различных видов межслойных переходов:
глухого – между внутренними и наружными слоями (deaf);
слепого – между внутренними слоями (blind).

Что касается производственного оборудования, то современные МПП высокой плотности создаются с использованием лазеров. При этом, лазерное сверление внешних, внутренних слоев способствует формированию глухих лазерных микроотверстий, которые последовательно накрываются следующими слоями и превращаются в слепые. Если возникает парное прессование, отверстия высверливаются и подвергаются процессу металлизации.

Использование комбинированных и субтрактивных методов стало возможным после разработки технологий производства тонкомерной фольги. В результате, облицовывание диэлектриков тонкомерной фольгой (5-12 мкм) позволило значительно снизить цены на HDI платы.