Изготовление печатных плат¶
Изготовление печатных плат — совокупность технологических процессов, в результате которых из диэлектрического основания и токопроводящего материала создаётся печатная плата: изделие, служащее для механического крепления и электрического соединения электронных компонентов. Печатная плата (ПП) представляет собой диэлектрическую основу с системой проводящих дорожек, контактных площадок и монтажных отверстий, выполненных по заданному рисунку. Изготовление плат — один из базовых этапов производства почти любой электронной аппаратуры, от бытовой техники до вычислительной и телекоммуникационной инфраструктуры.
¶История
До середины XX века монтаж электронных схем выполнялся объёмным проводом: компоненты соединялись навесными проводниками, что было трудоёмким и ненадёжным. Первые патенты на печатный монтаж появились в начале XX века, однако промышленное применение началось в 1940-х годах, когда технология понадобилась для производства взрывателей и радиотехники. В 1936 году австрийский инженер Пауль Айслер предложил метод нанесения проводящего рисунка на изоляционную пластину, а в 1943 году он был применён в британской радиоаппаратуре.
В 1950-х годах распространилась технология фольгированных материалов и травления, ставшая основой современного производства. В СССР массовый выпуск печатных плат для бытовой и военной электроники развернулся в 1960–1970-е годы; действовали отраслевые стандарты (в частности, ГОСТы на платы), а крупные предприятия имели собственные гальванические и травильные участки. Дальнейшее развитие связано с переходом к многослойным платам, поверхностному монтажу и миниатюризации проводников.
¶Материалы основания
Основой служит фольгированный диэлектрик — чаще всего стеклотекстолит (FR-4), представляющий собой стеклоткань, пропитанную эпоксидной смолой, с медной фольгой толщиной обычно 18, 35 или 70 мкм. Применяются также:
- гетинакс — дешёвый материал для простых плат бытового назначения;
- полиимид — для гибких плат и работы при повышенных температурах;
- алюминиевые основания — для мощных светодиодных и силовых схем с интенсивным отводом тепла;
- керамика — для высокочастотных и термостойких изделий.
¶Методы изготовления
¶Субтрактивный метод
Наиболее распространённый подход: медная фольга сплошным слоем покрывает заготовку, а лишний металл удаляется травлением, в результате чего остаётся только проводящий рисунок. Защитный слой (фоторезист) наносится, экспонируется через фотошаблон и проявляется, после чего заготовка погружается в травильный раствор. В качестве травителей применяются хлорное железо, персульфат аммония, растворы на основе соляной кислоты и перекиси водорода. Субтрактивный метод доминирует в производстве плат средней и высокой сложности.
¶Аддитивный и полуаддитивный методы
При аддитивном методе проводники не вытравливаются, а осаждаются на диэлектрик химическим и электрохимическим способом. Полуаддитивный метод сочетает тонкий стартовый слой меди с последующим гальваническим наращиванием, что позволяет получать проводники шириной в десятки микрометров и применяется при изготовлении плат высокой плотности.
¶Механические и «домашние» способы
Для единичных образцов используют фрезерование изоляционных канавок на фрезерно-гравировальном станке с ЧПУ, механическое снятие фольги резаком, а также метод ЛУТ (лазерно-утюжная технология), при котором тонер лазерного принтера переносится на заготовку утюгом и служит защитным слоем при травлении. Эти способы применяются в любительской и мелкосерийной практике.
¶Основные этапы производства
Полный цикл изготовления многослойной платы включает:
- Проектирование — разработка схемы и топологии в САПР (например, Altium Designer, KiCad, «Компас-Электрик»), подготовка файлов Gerber и сверловки.
- Изготовление фотошаблонов — печать на прозрачной плёнке или лазерная засветка.
- Формирование рисунка — нанесение фоторезиста, экспонирование, проявление.
- Травление — удаление незащищённой меди.
- Сверление — отверстия под выводы компонентов и межслойные переходы; выполняется сверлами диаметром от 0,1 мм на станках с ЧПУ.
- Металлизация отверстий — химическое осаждение меди и гальваническое наращивание для создания электрической связи между слоями.
- Нанесение паяльной маски — защитного покрытия, предохраняющего дорожки от окисления и замыканий при пайке.
- Нанесение маркировки — шелкография с обозначениями компонентов.
- Финишное покрытие — горячее лужение (HASL), иммерсионное золото, серебро или органический защитный слой (OSP).
- Контроль — визуальный осмотр, электрическое тестирование, проверка на разрывы и короткие замыкания.
¶Классы точности и современные тенденции
Платы классифицируют по числу слоёв (односторонние, двусторонние, многослойные), по гибкости (жёсткие, гибкие, гибко-жёсткие) и по классу точности, определяемому минимальной шириной проводника и зазора. Массовое производство ориентируется на классы с проводниками 100–150 мкм, тогда как высокоплотные изделия для вычислительной техники и связи требуют 50 мкм и менее, что обеспечивается лазерной фотолитографией и полуаддитивной технологией.
Развитие направлено на увеличение числа слоёв (в серверных и коммутационных платах — до 20 и более), применение материалов с низкой диэлектрической проницаемостью для высокочастотных схем, внедрение встроенных компонентов и переход к автоматизированному контролю качества на всех стадиях. Значительная часть мирового производства печатных плат сосредоточена в странах Юго-Восточной Азии; в России действуют предприятия, выпускающие платы для промышленной, транспортной, авиакосмической и телекоммуникационной аппаратуры.
¶Применение
Печатные платы используются практически во всей электронике: в бытовых приборах, компьютерах, смартфонах, системах управления производством, медицинском оборудовании, транспорте, средствах связи и измерительной технике. От качества их изготовления напрямую зависят надёжность, помехоустойчивость и срок службы электронных устройств.
Источники: технические стандарты и ГОСТы на печатные платы; отраслевые руководства по технологии производства печатных плат; публикации по материаловедению и электронике; документация производителей фольгированных диэлектриков.