A nyomtatott áramköri lap ( angolul printed circuit board, PCB , vagy nyomtatott huzalozási kártya, PWB ) egy dielektromos lemez , amelynek felületén és/vagy térfogatában elektronikus áramkör elektromosan vezető áramkörei vannak kialakítva . A nyomtatott áramköri lapot különféle elektronikus alkatrészek elektromos és mechanikus csatlakoztatására tervezték. A nyomtatott áramköri lapon lévő elektronikus alkatrészeket vezetékeiken keresztül a vezetőképes minta elemeihez kötik, általában forrasztással .
A felületre szereléssel ellentétben a nyomtatott áramköri lapon az elektromosan vezető minta fóliából készül , és teljes egészében szilárd szigetelő alapon helyezkedik el. A nyomtatott áramköri lap rögzítőfuratokat és alátéteket tartalmaz a csapok vagy sík alkatrészek rögzítéséhez. Ezenkívül a nyomtatott áramköri kártyákon átmenőnyílások vannak a kártya különböző rétegein elhelyezkedő fóliaszakaszok elektromos csatlakoztatására. A táblát kívülről általában védőbevonattal („forrasztómaszk”) és jelölésekkel (a tervdokumentáció szerinti segédábra és szöveg) vonják be.
Az elektromosan vezetőképes mintázatú rétegek számától függően a nyomtatott áramköri lapokat a következőkre osztják:
A tervezett eszközök bonyolultságának és a szerelési sűrűség növekedésével a táblákon lévő rétegek száma növekszik [1] .
Az alapanyag tulajdonságaitól függően :
A nyomtatott áramköri kártyák rendeltetésükből és különleges működési feltételek követelményeiből (például kiterjesztett hőmérsékleti tartomány ), illetve alkalmazási jellemzőikből (például magas frekvencián működő eszközök kártyái ) saját jellemzőkkel rendelkezhetnek.
A nyomtatott áramköri lap alapja egy dielektrikum , a leggyakrabban használt anyagok az üvegszál , getinak .
A nyomtatott áramköri lapok alapja lehet dielektrikummal bevont fém alap is (például eloxált alumínium ), a dielektrikumra rézfólia pályákat visznek fel. Az ilyen nyomtatott áramköri lapokat a teljesítményelektronikában használják az elektronikus alkatrészek hatékony hőelvezetésére . A hőteljesítmény további javítása érdekében a tábla fém alapja hűtőbordához rögzíthető .
A mikrohullámú tartományban és 260 ° C-ig terjedő hőmérsékleten működő nyomtatott áramköri lapok anyagaként üvegszövettel megerősített fluoroplasztot (például FAF-4D) [2] és kerámiát használnak . Ezeknek a tábláknak a következő korlátozásai vannak:
A hajlékony táblák poliimid anyagokból , például Kaptonból készülnek .
A táblatervezés speciális számítógépes tervezőprogramokban történik . A leghíresebbek a PADS Professional , Xpedition , Altium Designer , P-CAD , OrCAD , TopoR , Spectra , Proteus , geDA , KiCad stb. [4] Magát a tervezési folyamatot oroszul gyakran a szleng vezetékezésnek nevezik , vagyis a folyamatot. vezetők lefektetésének.
Oroszországban szabványok léteznek a nyomtatott áramköri lapok tervdokumentációjára az egységes tervezési dokumentációs rendszer keretében :
A nyomtatott áramköri lapokra vonatkozó egyéb szabványok:
Tekintsünk egy tipikus folyamatot a nyomtatott áramköri lap tervezésére egy kész kapcsolási rajz szerint: [5]
A PCB-gyártók gyakran találkoznak nem nyilvánvaló tervezési hibákkal a kezdő mérnökök részéről. A legjellemzőbb hibák [7] :
A PP előállítása additív vagy kivonó módszerrel lehetséges. Az additív módszernél egy nem fóliázott anyagon vezetőképes mintát alakítanak ki kémiai rézbevonattal az anyagra előzőleg felvitt védőmaszkon keresztül. A kivonó módszernél egy fóliaanyagon vezetőképes mintát alakítanak ki a fólia szükségtelen szakaszainak eltávolításával. A modern iparban csak a kivonó módszert alkalmazzák.
A teljes PCB gyártási folyamat négy szakaszra osztható:
A nyomtatott áramköri lapok gyártása gyakran csak egy munkadarab (fóliaanyag) megmunkálása alatt értendő. A fóliaanyag tipikus feldolgozása több lépésből áll: átmenőnyílások fúrása, vezetőmintázat kialakítása a felesleges rézfólia eltávolításával, furatok bevonása, védőbevonatok felvitele és ónozás, valamint jelölés. [8] A többrétegű nyomtatott áramköri kártyák esetében a végső kártya több üres lapból történő préselését is hozzáadják.
Fóliázott anyag - lapos dielektrikum lap, amelyre rézfóliát ragasztottak. Általános szabály, hogy az üvegszálat dielektrikumként használják . A régi vagy nagyon olcsó berendezésekben szövet vagy papír alapú textolitot használnak, amelyet néha getinaxnak is neveznek . A mikrohullámú készülékek fluortartalmú polimereket ( fluoroplasztokat ) használnak. A dielektrikum vastagságát a szükséges mechanikai és elektromos szilárdság határozza meg, az egyrétegű és többrétegű táblák leggyakoribb vastagsága körülbelül 1,5 mm; vékonyabb dielektromos rétegeket használnak többrétegű táblákhoz.
A dielektrikumra az egyik vagy mindkét oldalon egy folyamatos rézfólia lapot ragasztanak. A fólia vastagságát azok az áramok határozzák meg, amelyekre a táblát tervezték. A legszélesebb körben használt fólia 18 és 35 mikron vastag, a 70, 105 és 140 mikron sokkal ritkábban. Ezek az értékek az importált anyagok szabványos rézvastagságán alapulnak, amelyben a rézfóliaréteg vastagságát unciában (oz) négyzetlábban számítják ki . A 18 mikron ½ oz-nak, a 35 mikron pedig 1 unciának felel meg.
Alumínium áramköri lapokKülön anyagcsoportot alkotnak az alumínium fém nyomtatott áramköri lapok . Alumínium táblákat gyakran használnak, ha hőt kell vezetni a tábla felületén, például LED-es lámpatestekben . Két csoportra oszthatók.
Az első csoport - oldatok alumíniumlemez formájában, kiváló minőségű oxidált felülettel, amelyre rézfóliát ragasztanak . Az ilyen táblák nem fúrhatók, ezért általában csak egyoldalasan készülnek. Az ilyen fóliaanyagok feldolgozása a kémiai rajzolás hagyományos technológiái szerint történik. Néha alumínium helyett rezet vagy acélt használnak, vékony szigetelővel és fóliával laminálva . A réz magas hővezető képességgel rendelkezik, a rozsdamentes acéllemez korrózióállóságot biztosít. [9]
A második csoport magában foglalja a vezetőképes minta létrehozását közvetlenül az alumínium alapjában. Ebből a célból az alumíniumlemezt nem csak a felületen, hanem az alap teljes mélységéig oxidálják a fotomaszk által meghatározott vezető tartományok mintázatának megfelelően. [10] [11]
A táblák gyártása során vegyi, elektrolitikus vagy mechanikai módszereket alkalmaznak a szükséges vezetőképes mintázat reprodukálására, valamint ezek kombinációira.
Kémiai módszerA nyomtatott áramköri lapok kész fóliaanyagból történő előállításának kémiai módszere két fő lépésből áll: védőréteg felhordása a fóliára és a nem védett területek kémiai módszerekkel történő maratása.
Az iparban a védőréteget fotolitográfiával alkalmazzák ultraibolya - érzékeny fotoreziszt , fotomaszk és ultraibolya fényforrás segítségével. A fotoreziszt teljesen befedi a fólia rézrétegét, majd a fotomaszkról a sávok mintázata megvilágítással átkerül a fotorezisztre. Az exponált fotorezisztet lemossák, így a rézfóliát maratásra szabadítják fel, míg az exponálatlan fotorezisztet a fóliára rögzítik, megvédve a maratkozástól.
A fotoreziszt lehet folyadék vagy film. A folyékony fotorezisztet ipari körülmények között alkalmazzák, mivel érzékeny az alkalmazási technológia be nem tartására. A filmes fotoreziszt népszerű a kézzel készített tábláknál, de drágább. A fotomaszk egy UV-sugárzásnak átlátszó anyag, amelyre nyomminta van nyomtatva. Az expozíció után a fotorezisztet előhívják és rögzítik, mint a hagyományos fotokémiai eljárás során.
Amatőr körülmények között védőréteget lakk vagy festék formájában lehet felhordani szitanyomással vagy kézzel. A fólián maratott maszk kialakításához a rádióamatőrök a festék átvitelét használják a lézernyomtatón nyomtatott képről („ lézeres vasalás technológia ”).
A fóliamaratás a réz oldható vegyületekké történő átalakításának kémiai folyamata. A védetlen fóliát leggyakrabban vas(III) -klorid -oldatban vagy más vegyszerek, például réz-szulfát , ammónium-perszulfát , ammónia-réz-klorid, ammónia-réz-szulfát, klorit alapú, króm-anhidrid alapú oldatában maratják [12] . Vas(III)-klorid alkalmazásakor a táblamaratási folyamat a következőképpen zajlik: FeCl 3 + Cu → FeCl 2 + CuCl. Tipikus oldatkoncentráció 400 g/l, hőmérséklet 35 °C-ig. Ammónium-perszulfát használatakor a táblamaratási folyamat a következőképpen zajlik: (NH 4 ) 2 S 2 O 8 + Cu → (NH 4 ) 2 SO 4 + CuSO 4 [12] .
A maratást követően a védőmintát eltávolítjuk a fóliáról.
Mechanikai módszerA mechanikus gyártási módszer magában foglalja a maró- és gravírozógépek vagy más eszközök használatát a fóliaréteg mechanikus eltávolítására meghatározott területekről.
LézergravírozásEgészen a közelmúltig a nyomtatott áramköri lapok lézergravírozása nem volt elterjedt a réz jó visszaverési tulajdonságai miatt a legelterjedtebb nagy teljesítményű CO gázlézerek hullámhosszán. A lézertechnológia terén elért fejlődéshez kapcsolódóan mostanra kezdtek megjelenni a lézereken alapuló ipari prototípus-készítő létesítmények. [13]
Lyuk bevonatA nyílások és a rögzítő lyukak fúrhatók, mechanikusan lyukaszthatók (puha anyagokba, mint pl. getinak) vagy lézerrel égethetők (nagyon vékony átmenetek). A furatbevonat általában vegyileg vagy ritkábban mechanikusan történik.
A lyukak mechanikai bevonatát speciális szegecsekkel, forrasztott huzaldarabokkal vagy a lyuk vezető ragasztóval (keményítő pasztával) való kitöltésével végezzük. A mechanikai eljárás költséges a gyártásban, ezért rendkívül ritkán alkalmazzák, általában nagy megbízhatóságú darabmegoldásokban, speciális nagyáramú berendezésekben vagy darabkialakítású amatőr rádióviszonyok között.
A kémiai fémezésnél először egy fóliadarabba fúrnak lyukakat, majd rézleválasztással fémezik, és csak ezután maratják le a fóliát, hogy nyomatmintát kapjanak. A furatok kémiai bevonása egy többlépcsős, összetett folyamat, amely érzékeny a reagensek minőségére és a technológiának való megfelelésre. Ezért gyakorlatilag nem használják rádióamatőr körülmények között. Leegyszerűsítve a következő lépésekből áll:
A többrétegű (2-nél több vezetékrétegű) kártyákat hagyományos módon készített vékony két- vagy egyrétegű nyomtatott áramköri lapokból rakják össze (kivéve a csomagolás külső rétegeit - a fóliát sértetlenül hagyják ebben a szakaszban). „Szendvicsként” vannak összeszerelve speciális tömítésekkel ( prepreg ). Ezután kemencében préseljük, fúrjuk és bevonjuk a nyílásokat. Végül a külső rétegek fóliáját maratják. [1] Mivel a külső rétegekben a réz vastagsága a galvanikusan leválasztott réz mennyiségével növekszik a bevonatolás során, ez további korlátozásokat ró a pályák szélességére és a köztük lévő hézagokra.
Az ilyen többrétegű lapokon átmenő lyukak is készíthetők préselés előtt. Ha a lyukakat préselés előtt készítik, akkor úgynevezett "süket" és "vak" lyukakkal ellátott táblákat lehet kapni (ha a "szendvics" csak egy rétegében van lyuk), ami lehetővé teszi a tömörítést. az összetett táblák elrendezése. A gyártási költségek ezekben az esetekben jelentősen megnőnek, ami ésszerű kompromisszumot igényel az ilyen táblák tervezésében.
BevonatA lehetséges fedezetek a következők:
A nyomtatott áramköri lapok felszerelése után lehetőség van további védőbevonatok felhordására, amelyek védik mind magát a kártyát, mind a forrasztást és az alkatrészeket.
MegmunkálásSok egyedi tábla gyakran egy üres lapra kerül. Egy fóliadarab feldolgozásának teljes folyamatán egy táblaként mennek keresztül, és csak a végén készülnek fel a szétválasztásra. Ha a táblák téglalap alakúak, akkor nem átmenő hornyokat marnak, amelyek megkönnyítik a táblák későbbi törését (az angol írnoktól a karcolásig). Ha a táblák összetett alakúak, akkor átmarást kell végezni, keskeny hidakat hagyva, hogy a táblák ne morzsolódjanak. A bevonat nélküli táblákhoz marás helyett néha egy sor kis osztású lyukat fúrnak. Ebben a szakaszban történik a rögzítő (nem lemezelt) furatok fúrása is.
Lásd még: GOST 23665-79 Nyomtatott áramköri lapok. Kontúr feldolgozás. A szabványos technológiai eljárások követelményei.
Egy tipikus műszaki eljárás szerint a táblák leválasztása a munkadarabról az alkatrészek beszerelése után történik.
A forrasztás az alkatrészek nyomtatott áramköri lapokra történő rögzítésének fő módja. A forrasztás történhet kézzel forrasztópákával vagy speciálisan kifejlesztett csoportos forrasztási technológiák segítségével.
Összetevők telepítéseAz alkatrészek beszerelése manuálisan és speciális automata telepítőkön is elvégezhető. Az automatikus telepítés csökkenti a hibalehetőséget és nagymértékben felgyorsítja a folyamatot (a legjobb automatikus telepítések másodpercenként több komponenst telepítenek).
HullámforrasztásAz ólomkomponensek automatizált csoportos forrasztásának fő módszere. Mechanikus aktivátorok segítségével olvadt forrasztóanyag hosszú hulláma jön létre. A táblát úgy vezetik át a hullámon, hogy a hullám alig érinti a tábla alsó felületét. Ebben az esetben az előre telepített kimeneti komponensek vezetékeit a hullám nedvesíti, és a táblához forrasztja. A folyasztószert szivacsos bélyegzővel visszük fel a táblára.
Forrasztás kemencékbenA sík alkatrészek csoportos forrasztásának fő módja. Speciális forrasztópasztát (forrasztópor pasztaszerű folyasztószerben ) egy sablonon keresztül visznek fel a nyomtatott áramköri lap érintkezőfelületeire . Ezután a sík alkatrészeket telepítjük. A táblát a beépített alkatrészekkel ezután egy speciális kemencébe táplálják, ahol a forrasztópaszta folyasztószer aktiválódik, és a forrasztópor megolvadva forrasztja az alkatrészt.
Ha az alkatrészek ilyen beszerelése mindkét oldalon történik, akkor a táblát kétszer vetik alá ennek az eljárásnak - a telepítés mindkét oldalán külön-külön. A nehéz sík alkatrészeket ragasztócseppekre szerelik fel, amelyek megakadályozzák, hogy a második forrasztás során leesjenek az átfordított tábláról. A könnyű alkatrészeket a forrasztóanyag felületi feszültsége tartja a táblán.
A forrasztás után a táblát oldószerekkel kezelik, hogy eltávolítsák a folyasztószer maradványokat és egyéb szennyeződéseket, vagy ha nem tiszta forrasztópasztát használnak, a tábla azonnal készen áll bizonyos működési feltételekre.
BefejeziForrasztás után az alkatrészeket tartalmazó nyomtatott áramköri lapot védőanyagokkal vonják be: vízlepergető anyagok, lakkok (például UR-231 ), a nyitott érintkezők védelmét szolgáló eszközök. Bizonyos esetekben a tábla erős rezgések melletti működéséhez a tábla teljesen beágyazható egy gumiszerű keverékbe.
A nyomtatott áramköri lapok tömegipari gyártásához automatizált minőség-ellenőrzési módszereket fejlesztettek ki.
A terepi csatlakozások helyességének ellenőrzésekor az elektromos csatlakozásokat ellenőrzik, hogy nincsenek-e közöttük szakadások vagy rövidzárlatok.
Az elektronikus alkatrészek beszerelésének minőségének ellenőrzése során optikai vezérlési módszereket alkalmaznak . A szerkesztés optikai minőségellenőrzését speciális állványok segítségével, nagy felbontású videokamerákkal végzik. Az állványokat a következő szakaszokban építik be a gyártósorba:
A hibrid IC szubsztrátumok valami hasonlóak a kerámia nyomtatott áramköri lapokhoz, de általában más gyártási eljárásokat alkalmaznak:
Az elektronikus mikroáramkörök kerámia házai és néhány más alkatrész is hibrid mikroáramkörök technológiáival készülnek.
A membránbillentyűzeteket gyakran filmekre készítik szitanyomással és olvadó fémezett pasztákkal szinterezve.