Tryckt kretskort

Tryckt kretskort ( engelsk  printed circuit board, PCB , eller printed wiring board, PWB ) är en dielektrisk platta , på ytan och/eller i vars volym elektriskt ledande kretsar i en elektronisk krets bildas . Kretskortet är designat för elektrisk och mekanisk anslutning av olika elektroniska komponenter. Elektroniska komponenter på ett kretskort är anslutna med sina ledningar till element i det ledande mönstret, vanligtvis genom lödning .

Enhet

Till skillnad från ytmontering , på ett tryckt kretskort, är det elektriskt ledande mönstret tillverkat av folie , helt placerat på en solid isolerande bas. Det tryckta kretskortet innehåller monteringshål och dynor för montering av stift eller plana komponenter. Dessutom har kretskort vias för elektrisk anslutning av foliesektioner placerade på olika lager av kortet. Från utsidan är skivan vanligtvis belagd med en skyddande beläggning (”lödmask”) och markeringar (en hjälpfigur och text enligt designdokumentationen).

Typer av kretskort

Beroende på antalet lager med ett elektriskt ledande mönster delas kretskort in i:

När komplexiteten hos de designade enheterna och monteringstätheten ökar, ökar antalet lager på brädorna [1] .

Enligt egenskaperna hos basmaterialet :

Tryckta kretskort kan ha sina egna egenskaper på grund av deras syfte och krav på speciella driftsförhållanden (till exempel utökat temperaturområde ), eller applikationsfunktioner (till exempel kort för enheter som arbetar vid höga frekvenser ).

Material

Grunden för det tryckta kretskortet är ett dielektrikum , de mest använda materialen är glasfiber , getinaks .

Dessutom kan grunden för tryckta kretskort vara en metallbas belagd med ett dielektrikum (till exempel anodiserad aluminium ), kopparfoliespår appliceras över dielektrikumet. Sådana kretskort används inom kraftelektronik för effektiv värmeavledning från elektroniska komponenter. För att ytterligare förbättra den termiska prestandan kan kortets metallbas fästas på en kylfläns .

Som material för tryckta kretskort som arbetar i mikrovågsområdet och vid temperaturer upp till 260 ° C, används fluorplast förstärkt med glasväv (till exempel FAF-4D) [2] och keramik . Dessa brädor har följande begränsningar:

Flexibla skivor är gjorda av polyimidmaterial som Kapton .

Konstruktion

Skivdesign sker i specialiserade datorstödda designprogram . De mest kända är PADS Professional , Xpedition , Altium Designer , P-CAD , OrCAD , TopoR , Specctra , Proteus , gEDA , KiCad , etc. [4] Själva designprocessen på ryska kallas ofta för slangordet wiring , vilket betyder processen av läggningsledare.

Standarder

I Ryssland finns det standarder för designdokumentation av tryckta kretskort inom ramen för Unified System for Design Documentation :

Andra standarder för kretskort:

Typisk process

Betrakta en typisk process för att designa ett kretskort enligt ett färdigt kretsschema: [5]

Typiska designfel

PCB-tillverkare stöter ofta på icke-uppenbara designfel av nybörjare. De mest typiska misstagen [7] :

Tillverkning

Framställning av PP är möjlig genom en additiv eller subtraktiv metod. I additivmetoden bildas ett ledande mönster på ett icke-folierat material genom kemisk kopparplätering genom en skyddsmask som tidigare applicerats på materialet. I den subtraktiva metoden bildas ett ledande mönster på ett foliematerial genom att onödiga sektioner av folien avlägsnas. I modern industri används endast den subtraktiva metoden.

Hela PCB-tillverkningsprocessen kan delas in i fyra steg:

Ofta förstås produktionen av tryckta kretskort endast som bearbetning av ett arbetsstycke (foliematerial). En typisk bearbetning av ett foliematerial består av flera steg: borrning av vior, erhållande av ett mönster av ledare genom att ta bort överskott av kopparfolie, plätering av hål, applicering av skyddande beläggningar och förtenning samt märkning. [8] För flerskikts kretskort tillkommer pressning av det slutliga kortet från flera ämnen.

Tillverkning av foliematerial

Folierat material - ett platt ark av dielektrikum med kopparfolie limmad på den. Som regel används glasfiber som ett dielektrikum . I gammal eller mycket billig utrustning används textolit på tyg- eller pappersbasis, ibland kallad getinax . Mikrovågsapparater använder fluorhaltiga polymerer ( fluoroplaster ). Dielektrikens tjocklek bestäms av den erforderliga mekaniska och elektriska hållfastheten, den vanligaste tjockleken på både enskikts- och flerskiktskort är cirka 1,5 mm; tunnare dielektriska skikt används för flerskiktskort.

Ett kontinuerligt ark av kopparfolie limmas på dielektrikumet på ena eller båda sidorna. Tjockleken på folien bestäms av de strömmar som brädan är konstruerad för. Den mest använda folien är 18 och 35 mikron tjock, 70, 105 och 140 mikron är mycket mindre vanliga. Dessa värden är baserade på standardkoppartjocklekar i importerade material, där tjockleken på kopparfolieskiktet beräknas i uns (oz) per kvadratfot . 18 mikron motsvarar ½ oz och 35 mikron mot 1 oz.

Aluminiumkretskort

En separat grupp av material är tryckta kretskort av aluminiummetall . Aluminiumskivor används ofta när det krävs för att leda värme genom skivans yta, till exempel i LED-armaturer . De kan delas in i två grupper.

Den första gruppen - lösningar i form av en aluminiumplåt med en högkvalitativ oxiderad yta, på vilken kopparfolie limmas . Sådana brädor kan inte borras, så de görs vanligtvis endast ensidigt. Bearbetning av sådana foliematerial utförs enligt traditionell teknik för kemisk ritning. Ibland används istället för aluminium, koppar eller stål, laminerat med en tunn isolator och folie. Koppar har en hög värmeledningsförmåga, rostfritt stålskiva ger korrosionsbeständighet. [9]

Den andra gruppen involverar skapandet av ett ledande mönster direkt i basaluminiumet. För detta ändamål oxideras aluminiumplåten inte bara över ytan utan också till hela basens djup enligt mönstret av ledande områden som specificeras av fotomasken. [10] [11]

Arbetsstyckesbearbetning

Skaffa en ritning av ledare

Vid tillverkning av skivor används kemiska, elektrolytiska eller mekaniska metoder för att reproducera det erforderliga ledande mönstret, såväl som deras kombinationer.

Kemisk metod

Den kemiska metoden för tillverkning av tryckta kretskort från färdigt foliematerial består av två huvudsteg: applicering av ett skyddande lager på folien och etsning av oskyddade områden med kemiska metoder.

Inom industrin appliceras ett skyddsskikt genom fotolitografi med en ultraviolettkänslig fotoresist , en fotomask och en ultraviolett ljuskälla. Fotoresisten täcker helt foliens koppar, varefter spårmönstret från fotomasken överförs till fotoresisten genom belysning. Den exponerade fotoresisten tvättas bort och exponerar kopparfolien för etsning, medan den oexponerade fotoresisten fästs på folien och skyddar den från etsning.

Fotoresist kan vara flytande eller film. Flytande fotoresist appliceras i industriella förhållanden, eftersom den är känslig för bristande överensstämmelse med appliceringstekniken. Filmfotoresist är populärt för handgjorda brädor, men är dyrare. En fotomask är ett UV-transparent material med ett spårmönster tryckt på. Efter exponering framkallas och fixeras fotoresisten som i en konventionell fotokemisk process.

Under amatörförhållanden kan ett skyddande lager i form av lack eller färg appliceras genom silk screening eller för hand. För att bilda en etsmask på en folie använder radioamatörer överföring av toner från en bild som är tryckt på en laserskrivare (" laserstrykningsteknik ").

Folieetsning är den kemiska processen att omvandla koppar till lösliga föreningar. Oskyddad folie etsas oftast i en lösning av järnklorid eller i en lösning av andra kemikalier, såsom kopparsulfat , ammoniumpersulfat , ammoniakkopparklorid, ammoniakkopparsulfat, baserat på kloriter , baserat på kromsyraanhydrid [12] . Vid användning av järnklorid, fortskrider skivetsningsprocessen enligt följande: FeCl 3 + Cu → FeCl 2 + CuCl. Typisk lösningskoncentration 400 g/l, temperatur upp till 35 °C. Vid användning av ammoniumpersulfat fortskrider skivetsningsprocessen enligt följande: (NH 4 ) 2 S 2 O 8 + Cu → (NH 4 ) 2 SO 4 + CuSO 4 [12] .

Efter etsning avlägsnas skyddsmönstret från folien.

Mekanisk metod

Den mekaniska tillverkningsmetoden innebär användning av fräs- och graveringsmaskiner eller andra verktyg för mekaniskt avlägsnande av folielagret från specificerade områden.

Lasergravering

Tills nyligen var lasergravering av tryckta kretskort inte utbredd på grund av de goda reflekterande egenskaperna hos koppar vid våglängden för de vanligaste högeffekts CO-gaslasrarna. I samband med framstegen inom laserteknikområdet har nu industriella prototypanläggningar baserade på lasrar börjat dyka upp. [13]

Hålplätering

Via- och monteringshål kan borras, stansas mekaniskt (i mjuka material som getinaks) eller laserbrännas (mycket tunna vior). Hålplätering görs vanligtvis kemiskt eller, mer sällan, mekaniskt.

Mekanisk plätering av hål utförs med speciella nitar, lödda trådbitar eller genom att fylla hålet med ledande lim (härdningspasta). Den mekaniska metoden är dyr i produktionen och används därför extremt sällan, vanligtvis i mycket tillförlitliga styckelösningar, speciell högströmsutrustning eller amatörradioförhållanden med styckdesign.

Vid kemisk metallisering borras först hål i ett folieämne, sedan metalliseras de genom kopparavsättning, och först därefter etsas folien för att få ett tryckmönster. Kemisk plätering av hål är en komplex process i flera steg, känslig för kvaliteten på reagenser och överensstämmelse med tekniken. Därför används den praktiskt taget inte i amatörradioförhållanden. Förenklat består den av följande steg:

  • Avsättning av ett ledande substrat på hålets dielektriska väggar. Denna pad är mycket tunn och inte hållbar. Appliceras genom kemisk metallavsättning från instabila föreningar som palladiumklorid .
  • Koppar avsätts elektrolytiskt eller kemiskt på den resulterande basen.
  • I slutet av produktionscykeln appliceras antingen varm förtenning för att skydda den ganska spröda avsatta kopparn, eller så skyddas hålet med lack (lödmask). Oförtennade vior av dålig kvalitet är en av de vanligaste orsakerna till fel inom elektronik.
Att trycka på flerskiktstavlor

Flerskiktskort (med fler än 2 lager av ledare) sätts ihop av en stapel av tunna två- eller enlagers tryckta kretskort tillverkade på traditionellt sätt (förutom de yttre lagren av paketet - de lämnas med folien intakt kl. detta stadium). De är sammansatta som en "smörgås" med speciella packningar ( prepregs ). Därefter utförs pressning i en ugn, borrning och plätering av vior. Slutligen etsas folien av de yttre skikten. [1] Eftersom koppartjockleken i de yttre lagren ökar med mängden galvaniskt avsatt koppar under viaplätering, medför detta ytterligare begränsningar för spårens bredd och mellanrummen mellan dem.

Via hål i sådana flerskiktsskivor kan också göras före pressning. Om hålen är gjorda före pressning är det möjligt att få tag på brädor med så kallade "döva" och "blinda" hål (när det finns ett hål i endast ett lager av "smörgåsen"), vilket gör det möjligt att packa ihop layouten för komplexa brädor. Produktionskostnaden i dessa fall ökar avsevärt, vilket kräver en rimlig kompromiss i utformningen av sådana brädor.

Beläggning

Möjliga täckningar är:

  • Skyddande och dekorativa lackbeläggningar ("lödmask"). Har vanligtvis en karakteristisk grön färg. När du väljer en lödmask, tänk på att vissa av dem är ogenomskinliga och du kan inte se ledarna under dem.
  • Dekorativa och informativa beläggningar (märkning). Det appliceras vanligtvis med silk screentryck , mer sällan med bläckstråle eller laser.
  • Förtenning av konduktörer. Skyddar kopparytan, ökar tjockleken på ledaren, underlättar installationen av komponenter. Görs vanligtvis genom att doppa i ett lödbad eller lödvåg. Den största nackdelen är beläggningens betydande tjocklek, vilket gör det svårt att installera komponenter med hög densitet. För att minska tjockleken blåses överskottslod under förtenningen bort med en luftström.
  • Kemisk, nedsänkt eller galvanisk beläggning av ledarfolie med inerta metaller (guld, silver, palladium, tenn, etc.). Vissa typer av sådana beläggningar appliceras före kopparetsningssteget. [14] [15]
  • Beläggning med ledande lacker för att förbättra kontaktegenskaperna hos kontakter och membranknappsatser eller för att skapa ett extra lager av ledare.

Efter montering av kretskort är det möjligt att applicera ytterligare skyddsbeläggningar som skyddar både själva kortet och lödningen och komponenterna.

Bearbetning

Många individuella brädor placeras ofta på ett tomt ark. De går igenom hela processen med att bearbeta ett folieämne som en bräda, och först i slutet är de förberedda för separation. Om brädorna är rektangulära, frästas icke-genomgående spår, vilket underlättar den efterföljande brytningen av brädorna (skriva, från den engelska  skribenten till repan). Om brädorna är av komplex form, görs genom fräsning, vilket lämnar smala broar så att brädorna inte smulas sönder. För brädor utan plätering, istället för fräsning, borras ibland en serie hål med liten stigning. Borrning av monteringshål (icke pläterade) sker också i detta skede.

Se även: GOST 23665-79 Tryckta kretskort. Konturbearbetning. Krav på standardtekniska processer.

Enligt en typisk teknisk process sker separationen av skivorna från arbetsstycket efter installationen av komponenterna.

Sammansättning av komponenter

Lödning är huvudmetoden för att montera komponenter på kretskort. Lödning kan göras antingen manuellt med en lödkolv eller med hjälp av specialutvecklade grupplödtekniker.

Installera komponenter

Installation av komponenter kan utföras både manuellt och på speciella automatiska installatörer. Automatisk installation minskar risken för fel och påskyndar processen avsevärt (de bästa automatiska installationerna installerar flera komponenter per sekund).

Våglödning

Den huvudsakliga metoden för automatiserad grupplödning för blykomponenter. Med hjälp av mekaniska aktivatorer skapas en lång våg av smält lod. Brädan förs över vågen så att vågen knappt vidrör brädans bottenyta. I det här fallet väts ledningarna till förinstallerade utgångskomponenter av vågen och löds fast på kortet. Flussmedlet appliceras på brädan med en svampstämpel.

Lödning i ugnar

Huvudmetoden för grupplödning av plana komponenter. En speciell lödpasta (lodpulver i ett pastaformigt flussmedel ) appliceras på kontaktdynorna på det tryckta kretskortet genom en stencil . Därefter installeras de plana komponenterna. Skivan med de installerade komponenterna matas sedan in i en speciell ugn där lödpastaflödet aktiveras och lodpulvret smälter för att löda komponenten.

Om sådan installation av komponenter utförs på båda sidor, utsätts kortet för denna procedur två gånger - separat för varje sida av installationen. Tunga plana komponenter är monterade på adhesiva droppar som förhindrar dem från att falla av det vända kortet under den andra lödningen. Lättviktskomponenter hålls på kortet av lodets ytspänning.

Efter lödning behandlas skivan med lösningsmedel för att avlägsna flussrester och andra föroreningar, eller, vid användning av icke-ren lödpasta, är skivan omedelbart redo för vissa driftsförhållanden.

Slutförs

Efter lödning är det tryckta kretskortet med komponenter belagt med skyddande föreningar: vattenavvisande medel, lacker (till exempel UR-231 ), medel för att skydda öppna kontakter. I vissa fall, för drift av skivan under förhållanden med starka vibrationer, kan skivan vara helt inbäddad i en gummiliknande blandning.

Testning och kontroll

För industriell massproduktion av tryckta kretskort har automatiserade kvalitetskontrollmetoder utvecklats.

Vid kontroll av fältanslutningarnas korrekthet kontrolleras de elektriska anslutningarna för frånvaro av avbrott eller kortslutning mellan dem.

Vid kontroll av kvaliteten på installationen av elektroniska komponenter används optiska kontrollmetoder . Optisk kvalitetskontroll av redigering utförs med hjälp av specialiserade stativ med högupplösta videokameror. Stativ byggs in i produktionslinjen i följande steg:

  • kontroll av mönstret av ledare, kretskortets kontur och hålens diametrar.
  • kontroll av enhetlighet och dosering av applicering av lödpasta.
  • kontroll av noggrannheten vid installation av komponenter.
  • kontroll av lödresultat (lödåterflöde eller våglödning). Typiska lödningsfel som upptäcks av optiska system:
    • Förskjutning av komponenter under lödningsprocessen.
    • Kortslutningar.
    • Brist och överskott av lod.
    • Skevning av kretskort.

Liknande teknologier

Hybrid IC- substrat är något som liknar ett keramiskt kretskort, men de använder vanligtvis andra tillverkningsprocesser:

  • Tjockfilmsteknik : Silkscreenritning av ledare med metalliserad pasta, följt av sintring av pastan i en ugn. Tekniken gör att du kan skapa flerskiktsledningar av ledare på grund av möjligheten att applicera ett isoleringsskikt på skiktet av ledare med samma silkescreentryckmetoder, såväl som tjockfilmsmotstånd.
  • Tunnfilmsteknik : Bildning av ledare genom fotolitografiska metoder eller metallavsättning genom en stencil.

Keramiska höljen av elektroniska mikrokretsar och vissa andra komponenter tillverkas också med hybridmikrokretsteknik.

Membrantangentbord tillverkas ofta på filmer genom silkscreentryck och sintring med smältbara metalliserade pastor.

Se även

Anteckningar

  1. 1 2 3 Rinat Takhautdinov. Flerlagers kretskort. De första stegen för att bemästra den pressande operationen Arkiverad 14 april 2013 på Wayback Machine PDF Arkiverad 24 september 2015 på Wayback Machine
  2. GOST 21000-81 Oförstärkta och förstärkta fluorplastfolier. Specifikationer . Tillträdesdatum: 7 februari 2012. Arkiverad från originalet 28 mars 2014.
  3. Belous A.I., Merdanov M.K., Shvedov S.V. Mikrovågselektronik i radar- och kommunikationssystem. Teknisk uppslagsverk i 2 böcker. Volym 1. S.770-775
  4. Program för design av kretskort (PCB) . Hämtad 10 oktober 2013. Arkiverad från originalet 4 oktober 2013.
  5. designstadier - KB Schematics . Hämtad 10 oktober 2013. Arkiverad från originalet 3 oktober 2013.
  6. PCB-layoutaspekter . Hämtad 14 augusti 2010. Arkiverad från originalet 17 januari 2011.
  7. Typiska designfel (länk ej tillgänglig) . Hämtad 19 april 2013. Arkiverad från originalet 20 augusti 2013. 
  8. Tillverkning av högkvalitativa tryckta kretskort i "hem"-förhållanden . Hämtad 14 juni 2012. Arkiverad från originalet 14 juni 2012.
  9. Tryckta kretskort med metallbas Arkivexemplar av 26 april 2013 på Wayback Machine // JSC Rezonit
  10. MSLR LLC börjar produktionen av LED-kort med den unika ALOX-teknologin . Hämtad 14 augusti 2019. Arkiverad från originalet 14 augusti 2019.
  11. Halvledarbelysningsteknik 2012 N5 . Hämtad 14 augusti 2019. Arkiverad från originalet 18 oktober 2018.
  12. 1 2 S. Markin, "How to etch boards", "Chemistry and Life" nr 7, 1990 . Hämtad 17 juli 2012. Arkiverad från originalet 13 april 2012.
  13. LPKF ProtoLaser S. Hämtad 17 juni 2012. Arkiverad från originalet 24 juni 2012.
  14. Doppförgyllning för lödning . Datum för åtkomst: 4 januari 2014. Arkiverad från originalet 4 januari 2014.
  15. PCB Finishes . Datum för åtkomst: 4 januari 2014. Arkiverad från originalet 4 januari 2014.

Litteratur

  • Pirogova E.V. Design och teknik för tryckta kretskort: Lärobok. - M. : FORUM: INFRA-M, 2005. - 560 sid. - (Högre utbildning). — ISBN 5-16-001999-5 . — ISBN 5-8199-0138-X .
  • Arenkov A. B., Krotov S. T., Kuzmin N. A., Lipatov Yu. N. Teknik för tryckta kretsar. - Skeppsbyggnad, 1972. - 326 sid. - 1000 exemplar.

Länkar