О технологии единичного и мелкосерийного производства печатных плат

Что такое изготовление печатных плат?

Изготовление печатных плат или производство печатных плат — это процесс, в ходе которого изготавливается плата, используемая для поддержки и соединения различных электронных/электрических компонентов друг с другом. Производство обеспечивает производитель печатных плат. Печатная плата является основой почти каждой электрической или электронной системы. 

Печатная плата имеет множество применений. Вот наиболее распространенные причины, по которым вы можете использовать печатную плату. Эти важные инструменты составляют основу различных электронных устройств. Почти каждое ваше электронное устройство имеет внутри печатную плату, которая помогает ему передавать все необходимые сигналы.
Не все понимают, насколько важны или распространены эти печатные платы и что они делают. Знание этого поможет вам лучше понять все ваши устройства.
Прочитайте наше руководство, чтобы узнать, что такое печатные платы, как они изготавливаются и как их используют.

Что такое печатная плата?

Те, кто не работает в электронной или машиностроительной промышленности, могут не знать, что такое печатная плата и как она работает. Важно понимать их и то, какой вклад они вносят в работу всей электронной промышленности.

Печатная плата — это базовый компонент многих электронных устройств, таких как материнские платы, сетевые или графические карты. Они обеспечивают механическую поддержку и создают электронные пути. Печатные платы существуют почти столько же, сколько и сама технология. Они обеспечивают все сложные коммуникации, которые должны постоянно происходить для работы электронных устройств. Именно это делает их такими важными.
Существует множество типов, но печатные платы — одни из самых дешевых, распространенных и полезных. Они имеют уникальный процесс производства, который отличает их от всех других вариантов.
Печать — это процесс размещения каждого компонента на базовом материале, известном как подложка. Это дает название технологии и является основой для производства электронных печатных плат.
Конкретные материалы, необходимые для печатной платы, зависят от компании и назначения изделия. Обычно они включают в себя металлические формы, электронные компоненты и подложку, на которой все это размещается. Лучше всего выбирать проводящие материалы, такие как медь, чтобы все электрические сигналы могли свободно проходить.
Печатные платы — один из самых дешевых вариантов массового производства. Это позволяет компаниям выживать, не производя ничего другого. Печатные платы всех типов являются важной частью электронной промышленности. Печатные платы являются наиболее эффективными в производстве, что является одной из причин их столь высокого спроса. Переведено с помощью www.DeepL.com/Translator (бесплатная версия)

Виды плат и их применение

По количеству используемых слоёв фольги с нанесённым рисунком-схемой выделяют три вида плат:

• Однослойные (ОПП) – фольга с проводниками имеется только с одной стороны пластины. Это самый простой и дешевый вариант. Встречается в бытовых приборах, любительском конструировании, различных макетах.
• Двухслойные (ДПП) – соответственно имеют покрытие из фольги с обеих сторон. Обладают большей плотностью монтажа и прочностью креплений. Изготавливаются с металлизацией или без неё. Доля в общем выпуске ПП в нашей стране составляет 65 -75%. Используются: в любых радиоэлектронных приборах, в системах сигнализации и средствах телекоммуникации, бытовой технике, измерительном и промышленном оборудовании, военной промышленности.
• Многослойные (МПП) – состоят из нескольких слоёв изоляционных пластин, соединённых через металлизированные отверстия в электрическую цепь. Фольга и печатные проводники имеются во всех слоях. Такие платы создаются путём склеивания одно- и двухслойных либо способом послойного наращивания. Количество слоёв может достигать 40. МПП обладают более высокими эксплуатационными характеристиками, но и более высокой стоимостью, сложностью разработки и изготовления. Применяются в высокоточных приборах, ракетных комплексах, космической, авиационной и компьютерной технике.

Материал подложки влияет на степень пластичности ПП. Если в этом качестве применяется гетинакс, стеклотекстолит или иной подобный диэлектрик, то деталь будет жёсткой, а если особый полиамидный или лавсановый тонкий электроизоляционный материал, например, каптон – гибкой. Такие платы также могут иметь различное количество слоёв.

Жёсткие платы (ЖПП) получили наибольшее распространение. Твёрдая подложка не деформируется и не скручивается. Самый простой пример применения – материнская плата компьютера.

Гибкие печатные платы (ГПП) имеют ряд несомненных преимуществ: ниже стоимость, меньше межсоединений, лучше теплообмен, меньше размеры, их удобно монтировать, они могут быть основой для трёхмерных блоков.

Используются для антенн и катушек индуктивности, гибких светодиодных лент, соединения отдельных частей электронной аппаратуры, приборов и т. п. Их разновидностью можно считать гибкие печатные кабели, которыми вместо жгута объединяют печатные платы.

Гибко-жёсткие печатные платы (ГЖПП) являются не простым гибридом первых двух видов, как может показаться. Они сложны в изготовлении и имеют разные модификации.

Часто гибкую плату усиливают в определённом месте для повышения надёжности электрического соединения. Для этого к гибкой плате крепят жёсткий слой (стеклотекстолит или полиимид) со стороны, противоположной контактным площадкам.

Популярен вариант, когда гибкая часть служит шлейфом, соединяющим жёсткие печатные платы.

Такие платы также могут быть многослойными.

Преимущества: малый вес и размеры, надёжность, долговечность, возможность создания объёмных блоков и встраивания в конструкцию сложной конфигурации, простота сборки.

Гибкие и гибко-жёсткие печатные платы применяют:

• в бытовой электронной технике (видео- и фотокамеры, калькуляторы и т. п.);
• компьютерной технике и гаджетах;
• медицине (кардиостимуляторы, рентгеновские аппараты, слуховые аппараты и др.);
• военной технике, авиационной и космической отраслях (различное оружие, торпеды, радары, системы ночного видения, спутники, панели управления и т. П.);
• производстве автомобилей;
• в сфере телекоммуникаций и других областях.

Последнее время спрос на эти виды печатных плат неуклонно растёт.

В печатных платах на алюминиевой основе в качестве подложки используется металлическая пластина, покрытая электроизоляционным веществом. Сверху приклеивается фольга. Применяется для теплоотвода в силовой электронике.

В зависимости от назначения и условий эксплуатации создаются ПП со специальными характеристиками. Например, устойчивые к значительным перепадам и подъёму температуры до 260 °C, при работе в ВЧ и СВЧ-диапазоне. Для их производства используют фторопласт, армированный стеклотканью, и керамику.

Принимаем заказы на изготовление печатных плат гибких, гибко-жёстких, многослойных и других видов по 4-5 классу точности.

Высокое качество и короткие сроки обеспечивают высококвалифицированный опытный персонал, инновационные технологии, высокоточное оборудование и современные станки, тщательный контроль качества исходных материалов, применение нескольких методов тестирования и испытания готовых изделий.

Шаг 1: проектирование вашей платы

Для этого руководства я разработаю простую плату для приемопередатчика 915 МГц RFM69HW; у самого модуля расстояние между контактами составляет 2 мм, что несколько уже, чем стандартное расстояние для макетной платы, и затрудняет прототипирование. Я разработаю промежуточную панель, которая использует стандартное расстояние, поэтому я смогу припаять разъем и вставить с ним плату в любую стандартную макетную плату. Представленный метод подходит для изготовления плат и для монтажа компонентов в отверстия, и для поверхностного монтажа, но в моем случае плата будет разработана под поверхностный монтаж. В этом случае компоненты не очень малы по размеру, но этот процесс может быть использован и на таких маленьких компонентах, как компоненты в корпусах MSOP, которые могут быть установлены на плату вручную.

В этом руководстве основное внимание уделяется процессу изготовления плат, поэтому я не буду подробно останавливаться на работе с KiCad; однако есть несколько вещей, на которые стоит обратить внимание. После того, как вы откроете программу, то сможете начать размещать компоненты таким же образом, как в программе моделирования, только в этом случае вы размещаете посадочные места компонентов; когда вы будете делать это, убедитесь, что в правой таблице выбран слой «F.Cu», как показано на рисунке ниже

Всё красное будет напечатано на лицевой стороне платы, а всё желтое (сквозные отверстия) – на обеих сторонах; хотя в этом случае нам интересна только лицевая сторона. Когда вы закончите проектирование, необходимо будет экспортировать результат в PDF. Кликните на кнопку «чертить/plot» и выберите вывод в формате PDF, как показано на рисунке

Важно убедиться, что выбрана опция «Чертить зеркально» (Mirrored plot), иначе при изготовлении платы рисунок перенесется неправильно

Шаг 3: перенос рисунка

Теперь возьмите напечатанный рисунок и положите его на медь стороной с тонером вниз. Включите утюг и дождитесь его нагрева, выставив самую высокую температуру и самую низкую настройку пара, если таковая имеется. Когда утюг нагреется, поместите его на бумагу на плате и пока не двигайте его. Подождите около 30 секунд, после чего можете начать разглаживать бумагу утюгом. Продолжайте гладить около 2 минут; это расплавит тонер и заставит его прилипнуть к медной фольге на плате. Теперь вам нужно удалить бумагу (это очень деликатный процесс, и терпение будет вознаграждено): возьмите лист стеклотекстолита с приклеившейся к нему бумагой и поместите его в ванну с холодной водой.

Вода должна пропитать бумагу, что сделает ее очень мягкой и позволит вам очень осторожно очистить от нее плату, получив в результате на стеклотекстолите чистую медную фольгу с отпечатком из черного тонера. Если на данный момент у вас не осталось тонера на плате, это означает, что вы недостаточно нагрели плату, и вам нужно будет попробовать еще раз, удерживая утюг на плате чуть дольше

В качестве альтернативы, если у вас есть ламинатор, пропустите через него пару раз плату с напечатанным на листе из журнала рисунком; в итоге, после вымачивания, вы получите очень хорошо перенесенный на медь рисунок.

Размеры проводников

Реальные медные дорожки обладают сопротивлением. Это означает, что, когда через дорожку протекает ток, на ней падает напряжение, рассеивается мощность, повышается температура. Сопротивление определяется по формуле.

Разработчики печатных плат для контроля сопротивления дорожек на печатной плате чаще всего используют длину, толщину и ширину. Сопротивление является физическим свойство металла, используемого для создания дорожки. Разработчики печатных плат не могут реально изменить физические свойства меди, поэтому сосредоточьтесь на размерах проводника, которые вы можете контролировать.

Толщина проводников на печатных платах измеряется в унциях меди. Одна унция меди – это толщина, которую мы бы измерили, если бы равномерно распределили 1 унцию меди на 1 кв. фут. Эта толщина составляет 1,4 тысячных дюйма. Многие разработчики печатных плат используют толщину в 1 или 2 унции меди, но многие производители печатных плат могут обеспечить толщину и 6 унций меди

Обратите внимание, что тонкие элементы, такие как контактные площадки, которые находятся близко друг к другу, сложно изготовить из толстой меди. О возможностях изготовления проконсультируйтесь с производителем, у которого собираетесь заказывать печатные платы

Используйте калькулятор расчета ширины дорожки печатной платы, чтобы определить, насколько толстые и широкие дорожки вам необходимы. Ориентируйтесь на повышение температуры на 5°C. Если у вас на плате есть лишнее место, то увеличивайте ширину дорожек, ведь это ничего не стоит.

При создании многослойной платы помните, что дорожки на внешних слоях имеют лучшее охлаждение, чем на внутренних слоях, потому что тепло с внутренних слоев перед рассеиванием в окружающую среду должно проходить сквозь слои меди и материала печатной платы.

Из чего сделана материнская плата?

Материнская плата, в основном, состоит из двух материалов:

• Слоя из стеклопластика для основы
• Меди, чтобы сформировать токопроводящие пути

Если вам интересно, почему материнские платы сделаны слоями, ответ довольно прост: экономия места.

Укладка 4-8 слоев медно-встраиваемой платы из стекловолокна делает материнские платы значительно меньше. Это также увеличивает скорость обработки данных, поскольку электронам нужно преодолевать меньшее расстояние.

Вы никогда не должны сверлить свою материнскую плату! Материнская плата состоит из слоев, которые проходят между слоев стекловолокна. Если вы просверлите одну из медных линий, это будет конец вашей материнской платы. Может показаться странным, что об этом даже упоминают, но были случаи, когда люди сверлили материнские платы, чтобы получить возможность закрепить дополнительный кулер.

Конечно, это не означает, что печатная плата никогда не сверлится; основу материнской платы сверлят предварительно, до того как она прибудет на завод. Сверление предназначено для монтажных отверстий и отверстий крепления и пайки компонентов.

Лужение платы

Лужение печатной платы перед монтажом улучшает паяемость, значительно облегчает и ускоряет монтаж, уменьшает опасность перегрева элементов при монтаже. Перед лужением еще раз проходимся по медному слою наждачной бумагой

Но теперь делаем это предельно осторожно, чтобы не повредить дорожки

Самый простой и доступный способ лужения – с помощью паяльника, флюса и припоя. На очищенные дорожки кисточкой наносится жидкий флюс. Далее на жало паяльника набирается небольшое количество припоя и распределяется на контактные площадки и, при необходимости, проводящие дорожки

Здесь важно прогреть дорожки, иначе припой может не «приклеиться»

Лужение можно выполнить очищенной от проводов луженой экранной оплеткой (белого цвета). Предварительно оплетка пропитывается канифолью и небольшим количеством припоя. Далее оплетка прижимается к поверхности дорожки паяльником и медленно равномерно (подбирается экспериментально) проводится по длине дорожки. Если все условия выполнены правильно, то в результате получится ровная луженая дорожка. После того как все дорожки на всех сторонах обработаны, производится промывка платы спиртом. Промывка ацетоном нежелательна, так как припой с ацетоном дает со временем токопроводящее химическое соединение в виде белого налета по краям площадок и дорожек, а при достаточной плотности монтажа есть опасность ненужных гальванических связей. После промывки проводится очистка монтажных отверстий для установки компонентов.

Рис. 15 — Печатные проводники на плате

Лудить можно в алюминиевой посуде (плата должна умещаться на дне плашмя). В посуду наливают глицерин (толщина слоя около 1 см) и разогревают его примерно до 60 °С. Затем в глицерин кладут куски сплава Розе и продолжают подогрев до его расплавления. Не следует разогревать расплав выше 100 °С.

Плату декапируют в 20%-ном растворе соляной кислоты, промывают водой и опускают в расплав на 1—3c. Вынутую плату быстро протирают поролоновой губкой, удаляя с поверхности излишки сплава. Остатки глицерина смывают теплой водой. Чтобы уменьшить опасность отслаивания проводников во время пайки деталей, всю плату, за исключением контактных площадок, после лужения покрывают слоем клея БФ-2.

Советы

• Маркировка проводников на схеме и печатной плате облегчит монтаж, настройку и поиск возможных неисправностей. Маркировку на печатную плату наносят вместе с защитным слоем перед травлением.
• Нанесение обозначений на печатную плату, необходимых при монтаже, настройке и ремонте, можно значительно ускорить и упростить, если использовать для этой цели пленку с переводимыми знаками (деколь). Порядок изготовления печатной платы в этом случае обычный: обезжиривание заготовки, нанесение рисунка и обозначений, травление с последующей промывкой и просушкой.
• Удобный скребок для ретуширования рисунка печатной платы, нанесенного тушью или нитрокраской, получится, если в зажим цангового карандаша вставить кусочек лезвия безопасной бритвы.|Хотите работать слегка изогнутым лезвием — выберите цангу с нечетным числом губок.
• Если при разработке рисунка печатной платы трудно обойтись без пересечения печатных проводников, то один из проводников разрывают, а на концах разрыва предусматривают контактные площадки с отверстиями. После изготовления печатной платы в отверстия со стороны деталей паяют проволочную перемычку.
• Для нанесения рисунка на плату можно использовать силикатный клей, который затем сушат под лампой 4—5 мин.
• Вместо краски в качестве защитного слоя при травлении в азотной иди соляной кислоте можно воспользоваться раствором канифоли в этиловом спирте. Для высыхания рисунка обычно достаточно 10 мин.
• Снять тушь с кальки можно тампоном, смоченным смесью клея БФ и уксусной кислоты в соотношении 1 : 5.
• Для макетирования схем на интегральных микросхемах удобно использовать монтажные платы типа “слепыш”. На такой плате имеются контактные площадки для пайки интегральных микросхем и для пайки соединительных проводников. Установив микросхемы, с помощью тонкого монтажного провода выполняют навесной монтаж соединений.
• Для снятия оксидной пленки с фольги и для ее обезжиривания удобно пользоваться ученической чернильной резинкой.
• Отверстия малого диаметра в тонких платах можно сверлить иглой для швейных машин. При этом у иглы отламывают ушко и затачивают режущие кромки, как у обычного сверла. Работать таким «сверлом» следует на повышенных оборотах патрона дрели.
• Травление печатных плат можно производить в полиэтиленовом мешке. Плату помещают в мешок и заливают раствором хлорного железа. Предварительно острые углы платы закругляют, чтобы не повредить мешок. Покачивая мешок в процессе травления, перемешивают раствор. Если необходимо работать при повышенной температуре раствора, мешок помещают в сосуд с горячей водой, удерживая за края.
• Травление печатной платы в концентрированном растворе азотной кислоты занимает 1—5 мин. Работать нужно на открытом воздухе. Готовую плату тщательно промыть теплой водой с мылом.
• С двусторонней фольгированной заготовки при выполнении одностороннего печатного монтажа целесообразно снять второй слой фольги (с целью экономии травящего раствора). Для этого лезвием ножа аккуратно отделяют угол фольги и с помощью пинцета или плоскогубцев снимают весь слой.
• Время травления платы зависит от интенсивности обмена раствора у поверхности фольги. Поэтому для ускорения травления сосуд следует периодически покачивать.
• Если подходящего сосуда для травления найти не удается, можно поступить следующим образом. Вырезают заготовку с припуском 6—8 мм по периметру. После нанесения рисунка по краям заготовки со стороны фольги формируют из пластилина бортик высотой 10—15 мм, В образовавшуюся “кювету” заливают раствор хлорного железа. Сверлить отверстия для установки деталей и под проводники в этом случае придется после травления.
• Очистить кювету, в которой многократно проводилось травление, можно с помощью электролита щелочных аккумуляторов: кювету на несколько часов заливают раствором, после чего промывают в проточной воде.

Принципы выбора готовых плат: цены и производители

Магазины радиоэлектроники предлагают покупателям широкий ассортимент печатных плат для изготовления электроники

Советуем изучить — Основные режимы работы электродвигателя в системе электропривода

При покупке важно учитывать некоторые факторы:. 1. Размеры основания

Зависит от количества элементов, устанавливаемых на него

Размеры основания. Зависит от количества элементов, устанавливаемых на него

1. Размеры основания. Зависит от количества элементов, устанавливаемых на него.

2. Количество слоёв, используемых при изготовлении плитки.

3. Наличие металлических вставок на отверстиях для закрепления радиоэлементов.

4. Двухсторонний или односторонний рисунок.

5. Гибкое или жёсткое основание.

Платы нужны для всех устройств. Ниже представлены усредненная стоимость и производители на примере материнских плат для компьютера:

Нет смысла переплачивать за известный бренд, если собрать нужно простой электроприбор. Однако самая дешёвая плата быстро выйдет из строя и может привести к появлению возгорания. При выборе нужно проверять работоспособность электрических дорожек, целостность конструкции.